Калибровка осей экспериментального круглошлифовального станка с ЧПУ с помощью лазерного интерферометра Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62-519+621.82/.85

Л. Г. КОЛЬЦОВ Д. Л. БЛОХИН И. Л. БУГЛЙ Е. В. ВЛСИЛЬЕВ П. В. НЛЗЛРОВ

Омский государственный технический университет

КАЛИБРОВКА ОСЕЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНОГО СТАНКА С ЧПУ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА_

В статье рассмотрен вопрос к алибровки модернизируемого круглошлифовального станка Jones & Shipman 1049E с системой ЧПУ Mach3 с помощью лазерного интерферометра. Рассказано об устройстве и компоновке экспериментального шлифовального станка. Исследованы показатели точности позиционирования, определены и устранены основные причины, влияющие н а отклонение фактических перемещений от заданных. Предложена методика калибровки осей с применением системы Mach3. Ключевые слова: шлифовальный станок, н аладка оборудования, лазерный интерферометр, Mach3.

Введение. Тенденции современного машиностроения направлены в сторону повышения точности и автоматизации производства. Одним из самых распространенных способов решения стал перевод металлорежущего оборудования на управление системой числового программного управления (СЧПУ).

На базе Омского государственного технического университета проводится модернизация станочного парка, а именно оснащение станков системами ЧПУ и новыми комплектующими [1]. Большое внимание уделяется модернизации и совершенствованию шлифовального оборудования [2, 3]. В данной статье рассмотрен экспериментальный модернизированный круглошлифовальный станок Jones & Shipman 1049E, который оснастили системой ЧПУ и произвели замену приводов по координатам.

Для круглошлифовального станка с компьютерным программным управлением в качестве системы управления использована компьютерная программа Mach3 с официального источника.

Mach3 позволяет использовать обычный компьютер как контроллер станка с ЧПУ. Эти богатые возможности составляют большую ценность для тех, кто нуждается в СЧПУ для персонального компьютера [4]. Mach3 работает на большинстве ПК с Windows XP/Vista/7 и применяется, чтобы управлять движением двигателей (шаговые и серво) путем переработки G-Code. Mach3 настраивается и используется для многих приложений с многочисленными типами оборудования [5]. Было подключено перемещение круглошлифовального станка Jones & Ship-man 1049E по двум координатам: X — перемещение стола и Z — перемещение салазок со шпинделем. После его сборки появилась необходимость произвести калибровку и оценить фактически достигну-

тые точностные характеристики модернизированного оборудования.

Основной целью испытаний машин является оценка показателей технического уровня и качества станков, и на основе этой информации разработка мероприятий, которые позволяют достигнуть работоспособности станка в соответствии с показателями его технических условий [6].

Основное значение диагностики состоит в повышении надежности объектов на этапе их производства, эксплуатации или хранения. Главными показателями качества систем диагностирования являются гарантируемые ими полнота обнаружения и глубина поиска дефектов. Среди доступных в университете средств диагностики наиболее качественным и точным является лазерный интерферометр модели XL-80 фирмы Renishaw. Данный прибор позволяет производить проверку большинства точностных характеристик линейных и поворотных осей [7]. Точность прибора составляет 0,1 мкм, что вполне удовлетворяет требованиям исследования. В нашем эксперименте мы проводим линейные измерения точности позиционирования, а также динамические измерения перемещения исполнительного органа.

Калибровка станка лазерным интерферометром: методика и специфика. В первую очередь, лазерная система коммутируется и подключается к ПК, после чего её устанавливают таким образом, чтобы луч лазера был параллелен измеряемой оси. Затем устанавливается вся необходимая оптика и производится окончательная юстировка интерферометра (рис. 1). После чего производится выполнение теста, т. е. серия перемещений исполнительного органа станка на заданное программно перемещение, разделенных паузами для фиксации значений измерений лазерной

о

ОЭ

Рис. 1. Фотография процесса юстировки лазерной системы вдоль оси Ъ

-20

5

а:

аГ

5 I 01 I

О -40

с;

■х. н

0

§ -«

1

01

| .30

с;

-*- Проход прямой (+) Проход обратный (-)

Положение на оси, мм

Рис. 2. Зависимость точности позиционирования при установленном кожухе

Время, с

Рис. 3. График зависимости скорости от времени при динамическом измерении точности станка с установленным защитным кожухом

системы. Затем производится программная коррекция люфта встроенными средствами МасИЗ. Калибровка оси станка с помощью встроенных функций выполняется многократно с целью увеличения точности позиционирования. Так, каждый последующий прогон уменьшает ошибку позиционирования

в 1,5 — 2 раза. Осуществив калибровку оси на длину Ь =120 мм таким образом, чтобы ошибка позиционирования в точках 2= 0 и z= 120 не превышала 5 мкм, проведем измерение. Тест выполняется как двунаправленный проход. Пробный тест на собранном станке производили с параметрами шаг Р=10 мм,

Рис. 4. Фотография салазок станка со снятым кожухом

Рис. 5. График зависимости скорости от времени при динамическом измерении точности станка со снятым защитным кожухом

длина измерения Ьизм= 120 мм. Результаты представлены на рис. 2.

Анализ результатов. В результате анализа стало очевидно наличие сопротивления перемещению в координатах от 0 до 40 мм с увеличением силы в сторону уменьшения тестовой координаты. Кроме того, на результатах динамических измерений (рис. 3) заметны резкие скачки скорости при Ь = 14,3 с, причиной которых является отсутствие плавности хода кожуха. Было принято решение снять защитный кожух, установленный в рабочей зоне станка и фиксируемый с помощью пружин, и провести повторный эксперимент.

После снятия кожуха резкие удары на графиках динамических измерений исчезли (рис. 4, 5). Видимые неровности при старте движения можно отнести к неточностям динамики процесса выборки люфта СЧПУ МасИЗ.

Повторный эксперимент (рис. 6) показал, что от-калиброванный станок достиг следующих параметров: точность (максимальное расхождение при позиционировании) 31,6 мкм, среднее отклонение 17,2 мкм, фактическая ошибка реверса 16,7 мкм. Для исследования причин, влияющих на величины отклонений при позиционировании, была проведена калибровка на Ьк=50 мм. Результаты измерения Ь =50 мм, Р=2 мм представлены на рис. 7.

Калибровка оси на перемещения, меньшие или сопоставимые с шагом винта Рв = 5 мм, дают значительную погрешность, превышающую несколько миллиметров на 100 мм перемещения, и не пригодна для применения ни в режиме макроперемещений, ни в режиме микроперемещений.

На совмещенном графике (рис. 8) представлены результаты линейных измерений станка при калибровке на Ьк= 120 мм (синий) и на Ьк=50 мм (красный) . Очевидным становится повторяемость траектории не только на реверсных проходах, но и на проходах с разной калибровкой. Причиной этому может служить неравномерность шага винта шарико-винтовой передачи (ШВП). Эта гипотеза была подтверждена тем, что, снова откалибровав ось на Ь=120 мм и сравнив результат с полученным ранее, мы наблюдаем аналогичную картину (рис. 9).

Согласно ОСТ 2 Р31-7-88, по точностным параметрам шарико-винтовые передачи разделяют на позиционные и транспортные. Позиционные ШВП позволяют произвести косвенное измерение осевого перемещения в зависимости от угла поворота и хода резьбы винта. В станке установлены энкодеры угловых перемещений на выходном валу двигателя привода, поэтому ШВП относятся к типу позиционных. Классы кинематической и геометрической точности ШВП должны соответствовать ОСТ 2 РЗ 1-4-88.

График Статистика РЭ

Имя Значение [мкм] Датчик Начало Конец Мин. Макс.

Точность (А) 31.6 Темп, воздуха [*С1 17,94 17,95 17,94 17,95

Двусторонняя повторяемость 16,7 Давление воздуха [м 1014,6 1014,6 1014,6 1014,6

Ошибка реверса (В) 16,7 Влажность воздуха [ 55 56 55 56

Средняя ошибка реверса -11,7 Темп, материала 1 [ 17,77 17,78 17,77 17,78

Среднее отклонение (М) 17,2 Темп, материала 2 [ Not connected Not connected

Темп, материала 3 [ Not connected Not connected

Козф-т компенсаци 0,31641699 0,31641694 0,31641694 0,31641699

Коэффициент расш 11,7 11,7 11,7 11,7

Рис. 6. Отчет системы Renishaw и график линейных измерений станка на длине Ьизм=120 мм, Р =5 мм

График Статистика

Двусторонняя повторяемость

Датчик начало

Темп, воздуха [*С] 17,92

Давление воздуха [ь 1014,6 Влажность воздуха ( 55

Темп, материала 1 [ 17,8

Темп, материала 21 N01 <оппе<1ес1

Темп, материала 3 [ N01 connecttd

Коэф-т компенсаци 0,31641687

Коэффициент расш 11,7

Положение на оси, мм

Рис. 7. Отчет системы Renishaw и график линейных измерений станка на длине =50 мм, Р= 2 мм

Кинематическую точность ШВП характеризуют § кинематической погрешностью винтовой пары — разностью между действительным и номинальным осевыми перемещениями одной из сопряженных деталей винтовой пары в их относительном движении.

ГОСТ устанавливает для позиционных ШВП класса П7 ограничение на максимальную кинематическую погрешность 0,052 мм. Согласно проведенным линейным измерениям, максимальная кинематическая погрешность не превышает 0,041 мм при калибровке на !к=120 мм.

Выводы.

1. Для достижения минимальной погрешности позиционирования необходимо проводить калибровку оси с помощью системы ЧПУ МасИЗ на максимально возможной величине хода винта.

2. Система ЧПУ МасИЭ работает корректно и согласно с тем, что угловой энкодер установлен на валу двигателя, отследить фактическую погрешность перемещений без применения средств диагностики не представляется возможным.

3. Шарико-винтовая пара, согласно ОСТ 2 РЗ 14-88, соответствует классу П7, и её использование

Положение точки измерения, мм Рис. 8. Совмещенный график измерений станка при калибровке на Ьк=120 и на Ьк=50 мм

Рис. 9. Совмещенный график линейных измерений на длине 50 мм до и после повторной калибровки на 1к=120 мм

может быть рекомендовано только для применения в станках с ЧПУ, не требующих точности позиционирования точнее 52 мкм.

4. Защитный кожух, установленный на пружинах, вносит значительный вклад в отклонение от точности позиционирования. Рекомендуется либо применение более слабых пружин, либо резиновых защитных полос.

5. Для повышения точности позиционирования исследованного станка необходимо или установить СЧПУ более высокого уровня, чтобы в ней была возможность внести таблицу компенсаций, либо применение шарико-винтовой пары более высокого класса.

Библиографический список

1. Назаров, П. В. Модернизация специального станка, предназначенного для шлифования передней поверхности и стружечной канавки протяжки / П. В. Назаров, Е. В. Васильев,

B. А. Сергеев, М. В. Васильева // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2015. — № 3 (143). —

C. 175-176.

2. Nazarov, P. V. Increase of profile grinding accuracy of high-precision nonrigid broaches on machines with CNC / P. V. Nazarov, E. V. Vasilyev, A. Y. Popov // 2014 Dynamics of

Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), 2014, pp. 1-4. DOI: 10.1109/Dynamics.2014.7005685.

3. Назаров, П. В. Разработка конструкции специального станка, предназначенного для черновой обработки труднообрабатываемых материалов / П. В. Назаров, Е. В. Васильев, П. Е. Попов, А. Ю. Попов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2014. — № 3 (133). — С. 131 — 132.

4. Трофименко, О. В. Малогабаритный пятикоординатный станок с компьютерным программным управлением / О. В. Трофименко, А. Ю. Белавин, А. Р. Абзалов // Современные проблемы науки и образования. — № 1-2. — 2015. — С. 112—121.

5. Galantucci, L. M. Semi-Automatic Low cost 3D Laser scanning systems for reverse engineering / L. M. Galantucci, E. Piperi, F. Lavecchia, A. Zhavo // 3rd CIRP Global Web Conference. — Procedia CIRP 28. — 2015. — P. 94 — 99. — Режим доступа : http://dx.doi.org/10.1016/j.procir.2015.04.016 (дата обращения: 04.10.2016).

6. Юркевич, В. В. Жизненный цикл металлорежущих станков: мониторинг состояния : моногр. / В. В. Юркевич, А. Г. Схиртладзе, В. П. Борискин. — Старый Оскол : ТНТ, 2014. — 552 с.

7. Koltsov, A. G. The influence of kinematic characteristics of Stewart platform for precision moving measuring mechanism / A. G. Koltsov, D. A. Blokhin, A. V. Khabarov, D. A. Redorovich //

о

OS >

Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), 2014, pp. 1-6. DOI: 10.1109/Dynamics.2014.7005669.

КОЛЬЦОВ Александр Германович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры металлорежущих станков и инструментов. БЛОХИН Дмитрий Андреевич, ассистент кафедры металлорежущих станков и инструментов, студент гр. КТОм-151 факультета элитного образования и магистратуры.

БУГАЙ Иван Анатольевич, ассистент и аспирант кафедры металлорежущих станков и инструментов.

ВАСИЛЬЕВ Евгений Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры металлорежущих станков и инструментов. НАЗАРОВ Павел Владиславович, ассистент и аспирант кафедры металлорежущих станков и инструментов.

Адрес для переписки: a.g.koltsov75@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 12.10.2016 г. © А. Г. Кольцов, Д. А. Блохин, И. А. Бугай, Е. В. Васильев, П. В. Назаров

УДК 621.95:669.295

Л. С. НИТЕЙСКИЙ Л. В. РЛСЩУПКИН

Омский государственный технический университет

Публичное акционерное общество «Сатурн», г. Омск

ПРИМЕНЕНИЕ ОДНОЗУБОЙ ФРЕЗЫ ПРИ ЧИСТОВОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОНКОСТЕННЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ_

Рассмотрены преимущества, св язанные с применением однозубых твердосплавных фрез при чистовом фрезеровании криволинейных поверхностей з аготовок из титановых сплавов. Проанализированы факторы, определяющие возникновение вибрации инструмента в процессе обработки. Н а основе экспериментальных данных произведен анализ п ара метров процесса резания, влияющих н а г еометрические и качественные характеристики обрабатываемой поверхности. Определена специальная для данного вида обработки геометрия концевой фрезы, способствующая уменьшению вибрационной активности в зоне резания, приведены п ара метры обработки. Ключевые слова: титановые сплавы, шероховатость, числовое программное управление, фреза, р адиальная глубина, стойкость инструмента.

Тонкостенное фрезерование труднообрабатываемых материалов на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) характеризуется возникновением технологических проблем, связанных с получением геометрических характеристик искомого профиля и заданных параметров шерохова-§ тости поверхности, обусловленных возникновением вибраций инструмента и заготовки в процессе резания. Стратегия совершенствования станков с ЧПУ, режущего и вспомогательного инструмента оказывает огромное влияние на производственные и технологические процессы современного машиностроения.

Уменьшение влияния негативных характеристик обработки является основной задачей для технологов и инженеров механической обработки, которая успешно решается специалистами ПАО «САТУРН»

г. Омск. Применение специального инструмента успешно реализуется в ответственных работах на фрезерном оборудовании с ЧПУ при обработке жаропрочных и титановых сплавов.

Основной недостаток стандартных концевых фрез заключается в том, что, имея небольшой угол подъема винтовой канавки, они воспринимают большую ударную радиальную нагрузку [1]. Частота периодического силового воздействия фрезы первого порядка на заготовку равняется частоте удара режущего зуба фрезы, т.е. произведению частоты вращения фрезы на число зубьев фрезы. Форма импульсов воздействия зависит от технологических параметров обработки, при этом, как правило, импульсы имеют пилообразную форму (рис. 1а).

Для снижения воздействия гармоник колебаний с частотами, кратными частоте удара зуба, необхо-