CC BY
28
УДК 6215-05 621.7-187
КОМПЕНСАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОГРЕШ НССТЕЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ IIPOI PfcbfcU АН К А
А. Г. Кольцов1. А В. Хабароь: пискни ггхудпрспяешкп/ техт/чажт университет, ?. Омск, Рот/я ОАО «Высоких Технологии», г. Омск Россия
Аннотация-В работе рассмотрены вспросы обеспечения томности тезнологпческого оборудования. В частности, рассмотрено влияние температурных погрешностей на точность обработки Проанализированы методы компенсации зтиз погрешностей. Газработаи алгоритм и программа зля прогрева станка перед началом работы. Представлены практические рекомендации для внедрения б производство.
Ключевые слове: точность станков, компенсация погрешностей, тепловые погрешности.
I. Введшие
Современные станки с каждым голом все больше увеличивают производительность с одновременным повышением тсчноетн механической обработки.Чтобы достигнуть н выдержать точность в днашзсне. равном нескольким микрометрам, требуется контролировать погрешности металлорежущих станков и производить их компенсации. Наибольшей вклад в общую погрешность металлорежущих станков вносят геометрические, кн-немишческнс и icuioBaïc шлрсшнос1н Ошибки, связанные с л ими шлрсшноснши. uoryi бы!ь од.ишмьни уменьшены, но не могут быть полностью устранены. Увеличение точно:тн станков достигается введением специальных конструкторских решений, повышением точнсстн сборки стайка, а также применением различных методов компенсации погрешностей.
П IIOL lAHUtiKA ЗАДАЧИ
Одним m наи^аттее гущептекны* факторов, штияюттюс на точность ctphior якпютгя трплояыр деформации [1.3]. Они являются сложно днагностируемыми н быстро изменяющимися во времени. Очень зажной для предсказания тепловой погрешности в станке является разработка гочеой математической модели которая учитывает как внутреннн: нсгочкнкн тепла так и образующиеся в процессе резания, а также нагрез окружающей среды вс время работы станка. Очень важный момент состоит в тем. что сна должна учитывать тепловые деформации з мемент нагрева станка до рабочей температуры. го есть до температуры стабилизации. Этого можно дебптъея двумя путями. а именно температурной стабилизацией за счет работы узлов :танкз или разработать ннгегрирозанЕую математическую модель в систему 411/.
Температурной стабилизации можно достичь прогревом станка при движении его рабочих органсв по специально разработанной программе до начала обработки партии деталей.
Интегрированная модель моясет бить не пользована для:
• точного предсказания тепловых режимов станка при различных внутренних и внешних условиях;
• определения температурных ошибок во всём рабочем просграсетве станка при различных условиях экс плуатации и состоянию: окружающей среды:
• определения положения датчиков температуры, а также их минимального количества;
• проверки точности компенсации температурного смещения в любых условиях эксплуатации.
Такая модель очень эффективна при компенсации температурных погрешностей. Но она требует интеграции со сложной автоматизированной системой, которая будет симулировать точную модель конкретного станка, цдашму на ссхиднншний день яилжася очень дорииисюящсй н сс пракшчсскн не^изможж: ин1С1рииовагь в уже изготовленные станки, имеющиеся в производстве, так как это потребует серьезного изменения программного обеспечения ЧПУ и конструкции станка [5).
Исходя нз вышеизложенного знднэ. тто в условиях протвод:тва нанеолсс подходящим является прогрев станка при движении егс рабочих органов по спепиатьно разработанной программе.
В соответствии с вышеописанными моделями компенсации температурных погрешностей станка определить наиболее аффегппигьт способ ксмпексяцри якипттк проблемы и нелостяттси при его игпо.тп»човятш я тлкже рассмотреть пути возможного их устранения или минимизирования.
Ш. Теория
В процессе работы металлорежущего оборудования температурные деформации имеют наибольшее влияние па шарпко винтовую пару, это влнянпе выражается формулой относительного удлннелня опита [3]:
AL — a* L* АТ
О)
где :Д1 = изменения длины [мм]
а = коэффициент теплового расширения (11.7 х lD"rt [°С"1])
L = длина винта [мм]
ДТ = изменения температуры [°С]
2
L
J 'Ш р
i Ьитко
Рис. 1. Фрагмент шарнко-вннтсвой пары (ШВП) при Т1=20
В нормальных условиях Ери температуре ИБП Т1=20°, в ней между винтом 2 и шариком 1 зазор Д=0. что показано на рис. 1. В процессе нагреЕа изменяется температура ШВП. вследстзие чего происходит удлинение элементов ШВП н во зникает зазор Д между шаржами и винтом рис 2.
Рис. 2. Фрагмент шарнко-вннтсвой пары (ШВП) при Т1=50°
Используя формулу (1) определим относительное удлинение 1ПВП для токарного станка с ЧПУ. имеющего зону допустимых перемещений 500 мм [2]
М = 11.7х10~6*500*ДГ
ДТ - изменение хемиернгуры ШБП ь процессе хермосгабили^щш и работы ДЬ - относительное удлинение ШВП. мкм
Теперь для каждого из температурных режимов необходимо произвести расчет параметра относительного удлиьення ШБП.
ТАБЛИЦА 1
ЗАВИСИМОСТЬ УДЛИНЕНИЯ ШВП ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
ДТ,°С ДЬ. мкм
1 6
2 И
3 18
4 23
5 29
'Зная шаг резьбы н количество витков (М). по формуле (2) найдем зазор (Т). возникающий в каждом витке при разных изменениях температуры ШВП.
(2)
N
ТАБЛИЦА 2
ЗАВИСИМОСТЬ ЗАЗОРА В ШВП ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
ДТ N. шт. Ь. мкм Ъ, мкм
1 100 6 0.06
2 100 11 0.11
3 100 18 0.18
4 100 23 0.23
5 100 29 0.3
Зазор в ШВП. возникающий в процессе термостабалЕзацин и последующей работе станка, непосредственно влияет на точность обработки конечной детали. В связи с появлением относительного удлинения ШВП на каждый оборот винта так же будет накладываться соответствующая ошибка перемещения, что неизбежно скажется на точности обработки детали Ч]. Согласно расчетам по формуле (2) при изменении температуры ШВП в процессе резания на 5° С. шаг винтовой пары изменится на 0.3 мкм. Таким сбразом. при обработке диаметра длиной 100 мм. реальный длиновой размер будет 100.058 мм.
ГУ. Результаты экспериментов Время, необходимое на термостабилизацию станка, напрямую зависит от его габаритов. Температурные погрешности возникают при недостаточном или пэлностью отсутствующем процессе термостабилизацни станка, а также при отсутствии должного охлаждения рабочих органов станка.
В соответствии с этим, станки перед началом работы должны прогреваться, как правило от 15 минут до 1.5 часов в зависимости от габаритов и необходимей точности до достижения температурной стабнлшации. Чаще всего данное действие производится в начале рабочей смены опералора. В соответствии с этим сокращается чистое рабочее время станка. В среднем себестоимость одного часа работа станка варьируется от 1500 до 3500 тысяч рублей. Ввиду того что большинство предприятий работает в одно-двухсменном режиме по 8 часов, станки работают не круглосуточно. Как следствие, прогрев станков является неотъемлемой частью рабочего процесса.
Основная проблематика в этом процессе в том. что время прогрева сокращает продолжительность раэочей смены. Таким образом, затрачивая ежедневно на прогрев станка некоторое время, за месяц мы получаем весьма существенную недоработку. Время. затрачнЕаемсе на прогрев станка в месяц. можно определить по формуле (3)
Т = Т • N (2)
Тпроз- суммзрное время, затрачиваемое на прогрев в месяп Тпрог.ед- Бремя, затрагиваемое на разовый прогрев №л<ен-Еогачество рабочих дней в месяц
Время, затрачиваемое на разовый прогрев, различается в зависимости от необходимой точности обработки. На рнс. 3 представлена зависимость времени прогрева от точности станка. Данные параметры были вычислены опытным путем заводами--изготовителями и являются рсксмендуемымн.
■ Средняя точность ■ Высокая точность особо зьсокая точнестэ
Рнс 3. Диахрамма завнснмосш времени иро!ревао1 необходимой ючьоои обрабо1ки
и группы оборудовали*
Используя формулу (4) можно определить издержки, связанные с термостабнлнзацнсн станков перед началом работ
Nч>n. = № • Тп^г (4)
Даже для одного станка сумма издержек на термостабилизацию оборудования может быть весьма существенной. Таким образом, термо стабили} ацня станка перед началом работы является неотъемлемой частью процесса. При самом длинеом цикле терме стабилизации этот прсцесс занимает до 20% всей рабочей смены, что сказывается на количестве выпускаемой продукции, а значит, и на экономической эффективности производства.
Очевидным решением процесса термостабнлнзацнн станка является Еынесенне этого процесса нз времени рабочей смены. Таким образом, ставок ¿,0.1 .жен начнись цикл 1 ермиел абншзацил за определенное время до рабочей смены.
Изначально станки не обеспечены такого рода возможностями, ю у производителей сушестзуют дополни-тельные сгалш. позволяющие реализовать эту идею. Одпатсс стоимость эпгх олцпй варьируется э пределах 15 30% от стонмссти самого станка.
Для выполнения поставленной цели необходимо разработать сиецнальноепрограммное обеспечения и систем}* гвтоматического включения станка, состоящую нз контролдера и селовогс пускателя. Данная система будет запускать станок в определенное время дс рабочей смены и переводить станок в рсжимтермостабилиза-цнн. Таким образом, станок к приход}' оператора уже будет термо стабилизированным и можно будет сразу начинать 3-часовую смену без издержек на прегрев
Программное обеспечение, разработанное для автоматизации прогрева рнс. 4. по своему функцноЕалу схоже с займерем И.Ш буднзь ником. Б заданиие время микроконтроллер иодап сшнал на цускахель клорый в сьою очередь подает питание на станок (1). Далее происходит загрузка операционной системы станка (2). После загрузки ОС' автоматически запускается ПО для прогрева (3). которое в сеою очерель начинает работать с ПО.
которое отвечает за взаЕмодействие со станком (4). Прэграмма для прогрева имитирует действия оператора, выбирая программу для прогрева (5) и запускает ее на выполнение
Рнс. 4. Алгоритм автоматизации прогрева перед рабе чей сменой
Основная проблема. котору:о необходимо решить - это отсутствие оператора непосредственно у станка вс время процесса термсстабилизацин. Для начала необходимо понять, для чего оператор должен непосредсгвеннс находиться возле пульта управления во время работа.
Главная причина - страховка от внештатной ситуации. При малейшем подозрении на сбой оператор должен нажать на клавишу остановки и обездвижить станок.
Примеры возможных внештатных ситуаций см. табл. 3:
ТАБЛИЦА3
ВОЗМОЖНЫЕ ВНЕШТАТНЫЕ СИТУАЦИИ ПРИ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ СТАНКОВ С ЧПУ
Ошибка Описание ошибки Последствия
Неверные координата в программе прогрева Ктс-то переписал программу прогрева (С-сос1е) и подставил туда недопустимые ео-ордннаты для перемещения - Наезд на концевой ограничитель - Ошибка при запуске программы на выполнение.
Изменение &ОЮЕ внутри программы прогрева Вместо О-СООЕ, отвечающего за прогрев вписаЕ какой-либо иной - Неверные перемещения - Возможность столкновения или наезда на концевой датчик
Неверные относительные координаты станка У станка обнулиласъ информация о текущих (относительных) координатах его рабочих органов. - Неверные перемещения - Возможность столкновения или наезда на концевой датчик
Для исключения весх этих внеотатнкх ситуаций спсратср должен перед началом тсрмосгабнлкзашш провести проверку по алгоритму:
1. В ы брать правитьную прогр амму
2. Проверка правильности О-СОБЕ
3. Проверка правильности координат для движения
4. Проверка верности координат рабочих органов станка. После выполнения алгоритма оператор может начать прогрев.
Таким образом, для устранения всех зозможных внештатных ситуаций, необходимо симулировать выполнение данного алгоритма программным способом
Для решения даннэй проблемы необходимо реализовать в программе следующий функционал:
- Сравнение внухрешил о сицсржания фалла прлргва с эталонным
- Проверка возможности перемещения в указанные ксординаты
- Следящий режим
Функция сравнения содержания
На каждом станке при установке программы необходимо указать файл с программой прегрева. Информация из данного файла будет помещена в память программы и принята как эталон. При последующих запусках про-
граммы файл прогрева б>дет сравниваться с эталонным файлом. При возникновении различий появится соответствующее предупреждение, для устранения которого необходимо устранить различия Файл-эталон можно перезаписать в настройках программы.
Данная проверка позволит предотвратить внештатные ситуации, связанные с неверным программным кодом, записанным в файл прогрева.
Проверка возможности перемещения в указанные координаты
Прн установке программы прогрева на каждый конкретный станок необходимо будет указать «Поле перемещений».
Поле перемещений - поле, ограниченное крайними точками перемещений по каждой из осей. Крайние точке - точки концевых датчиков станка. Если в файле прогрева будет указана точка, лежащая вне поля перемещений, то появится окно об ошибке с соответствующим комментарием.
Следя щнл режим
Порой причина внештатной ситуации бывает не вполне очевидна. Иногда во шикают ситуации, когда все условия и параметры верны, но происходит сбои станка. Самое серьезное последствие таков внештатной ситуации - столкновение Оператор. вндя угрозу столкновения, должен нажать на кнопку полного останова.
В программе должен быть реализован «Режим слежения», позволяющий предотвратить столкновения рабочих органов (к примеру револьверной головки и папин деля).
В режиме реального времени программа прогрева считывает текущие машинные координаты станка. Для диагностирования ошибки перемещения используется «Поле допустимых перемещений»
Поле допустимых перемещений - это зона, составляющая 30% от поля перемещений. Если текущие координаты станка в процессе работы находятся внеполя допустимых перемещений, то диагностируется ошибка перемещения и происходит автоматический полный останов станка. Запас в 20% необходим на случай, если в револьверной головке находится инструмент с другими параметрами «вылета».
Таким образом, данная функция по5волит предотвратить столкновение рабочих органов или наезд на концевой датчик, даже при сбое не имевшем никаких предпосылок.
VL ВЫВОДЫ и ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На текущий момент имеется рабочая демонстрационная версия ПО для автоматизации прогрева оборудования. Данное ПО успешно прошло тестирование на эмуляторе стойки FANUC. что говорит о возможно ста старта экспериментов на реальном оборудовании. Также разработана теоретическая схема устройства для включения станка. Разработаны теоретические методы дтя вычисления необходимого времени прогрева станка.
Перевести проект из демонстрационной версии в режим проведения экспериментов на реальном оборудова-
- Выявить математические модели, прн помощи которых можно будет в зависимости от размеров станка н требуемой точности обработки рассчитать необходимое время для термоста б или i ации.
- Разработать схему пускателя и контроллера в «железе».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. KoTzov А. Ст.. Blokhin D. А.г Khabarov А. V.. Redorovich D. A. THE INFLUENCE OF KINEMATIC CHARACTERISTICS OF STEWART PLATFORM FOR PRECISION MOVING MEASURING MECHANISM // Dynamics of Systems. Mechanisms and Machines. 2014. 7005669.
2. Сайт компании Yamazaki Mazak. URL : https://\v\vw. mazafc.ш.тпаеЬтез/(датд обращения : 26.05.2016).
3. Koftsov A. G., Siikhinin V. B. ENSURING EQUIPMENT PRECISION U Russian Engineering Research. 2012. T. 32, ш. i. С. 93-54.
4. Хабаров А. В.. Кольцов А. Г. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 2. С. 374-3 7 6.
5. Кольцов А. Г. Методика построения математической модели оценки точности технологического оборудования на базе многооперацнонного станка //Вестник УГАТУ.2013. Т. 17. № 8 (61). С. 97-107.
6. Гаврилов В. А.. Кольцов А. Г. Исследование точности обработки на многоцелевых станках: моногр.Омск : ОмГТУ, 2003.87 с.
