CC BY
98
УДК 62-519+ 621.9-05
Д. А. БЛОХИН А. Г. КОЛЬЦОВ А. С. СЕРКОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
МЕТОДИКА РЕГУЛИРОВКИ ВЕЛИЧИНЫ ЛЮФТА ОСИ ТОКАРНОГО ОБРАБАТЫВАЮЩЕГО ЦЕНТРА С ЧПУ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ_
В статье рассмотрен вопрос калибровки токарного обрабатывающего центра Okuma ESL 8П с системой ЧПУ OSP U10L с помощью лазерного интерферометра. Рассказано об устройстве и компоновке токарного станка. Исследованы показатели точности позиционирования, определены и устранены основные причины, влияющие на разницу фактических и заданных перемещений. Описана методика настройки оси Z станка с системой ЧПУ OSP U10L с применением современного измерительного оборудования.
Ключевые слова: токарный станок, наладка оборудования, лазерный интерферометр, корректировка люфта.
Введение. Тенденции современного машиностроения направлены в сторону повышения автоматизации производства и повышения качества изготавливаемой продукции. В целях решения первой задачи: автоматизации производства и сокращения участия человека в производственном процессе широко применяют оборудование, оснащенное системами числового программного управления [1]. Для решения второй задачи проводят комплекс различных мероприятий от проектирования высокоточного оборудования до диагностики, ремонта и восстановления точности станка, в том числе и путем выполнения регулировки системы ЧПУ.
Прецизионные высокоскоростные многокоординатные станки с ЧПУ являются основой современного машиностроения. К ним предъявляются повышенные требования к точности воспроизведения пространственной траектории движения инструмента относительно обрабатываемой детали. Одним из основных направлений повышения точности станков является коррекция первичных отклонений подвижных узлов станка, к которым относятся, в частности, люфты и неперпендикулярности осей [2]. В настоящей статье представлена современная методика измерения отклонений линейного позиционирования рабочих узлов многокоординатных станков с помощью методов лазерной интерферометрии с последующей числовой компенсацией ошибки реверса (далее — люфта).
На базе Омского государственного технического университета имеется парк обрабатывающих центров с ЧПУ. Вследствие естественного износа
некоторые единицы оборудования подвергаются диагностике, ремонту, наладке, регулировке и восстановлению [2, 3]. В данной статье исследуется токарный обрабатывающий центр Okuma ESL 8П с системой ЧПУ OSP U10L 2007 года выпуска. Его точностные показатели регистрировались относительно редко. Результаты последнего измерения представлены на рис. 1. После последней диагностики на станке были изготовлены крупные партии изделий из чугуна и жаропрочных сталей, после чего станок вышел за пределы норм точности установленных заводом-изготовителем.
Предполагаемая причина потери точности — критический износ шариковинтовой пары. В связи с этим появилась необходимость оценить точностные показатели данного станка и произвести его регулировку.
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 [4].
У каждого металлорежущего оборудования есть определенная точность, заложенная в его конструкцию, однако невозможно устранить все ошибки, связанные со сборкой и условиями эксплуатации. Чтобы получить заданные выходные параметры точности технологической системы (ТС), необходимо знать характер и долю влияния на получаемую погрешность обработки изделия погрешностей каждого отдельного элемента ТС [5].
Имя (+} [мкм] ( ) [MKMI 2-сгор. [мкм] Имя Значение[мкм]
Точность (А) Ошибка реверса (6) 72,0
Повторяемость (R) Средняя ошибка реверса 52,2
Сист. откл. <Е) 26,8 20,0 72.2 Среднее отклонение (М) 14.9
Рис. 1. График перемещений рабочего органа станка вдоль оси Z в октябре 2016 г.
Компенсация накопленной погрешности шага ходового винта, зазоров в приводе подачи, тепловых деформаций производится по определенным алгоритмам коррекции, которые отрабатываются системой ЧПУ. Таким образом, достигается существенное повышение точности станка [6, 7]. В целях повышения эффективности технологических процессов проверку оборудования и его настройку стремятся проводить с помощью современных средств. Цель диагностики оборудования как промежуточного контроля — принять решение о возможности продолжать выполнение технологического процесса или о необходимости его коррекции на основе сравнения с заданными нормативными параметрами.
Особенностью шарикового винта является передача трения скольжения в трение качения по шарику между шаровой гайкой и винтом. Но многие факторы приводят к возникновению препятствий работе ШВП, например, неправильная настройка машины, вибрация шпинделя, несоответствующие режимы резания и неверно подобранный инструмент, изгиб шнека, плохие шероховатость и радиусы закругления, слишком большая величина подачи на зуб, потеря точности. Эти параметры приводят к изменению угла контакта шариков с резьбой шарикового винта, который является очень важным фактором [8].
Развитию методов и средств эффективной калибровки станка и программных алгоритмов коррекции посвящено большое число отечественных и зарубежных исследований. Методы и средства, позволяющие измерять весь спектр первичных отклонений звеньев механизмов несущей системы многокоординатных станков, рассмотрены, в частности, в [9].
Внедрение методов компенсации погрешностей обработки включает три этапа:
1. Идентификация погрешностей: анализ конструкции, структуры станка, определение типов погрешностей, измерение параметров, влияющих на величину погрешности в различных режимах эксплуатации. Данные действия можно производить с помощью диагностических комплексов, подробно описанных в [10].
2. Моделирование и предсказание погрешностей: разработка моделей отдельных погрешностей, включение единичных моделей в сложную модель
погрешностеи станка, прогноз погрешности в определённых условиях эксплуатации. На данном этапе построение математической модели оценки точности металлорежущего станка основано на использовании элементов метода координатных систем [11] с учетом специфики решаемой задачи.
3. Компенсация: установка системы компенсации погрешностей, внедрение алгоритмов компенсации или карты погрешностей в систему управления станка на основе значений, измеренных экспериментальным путем (п. 1) или рассчитанных при помощи разработанных математических моделей (п. 2).
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 имеющихся в университете средств диагностики наиболее точным, прогрессивным и применимым является лазерная интерферометрическая система XL-80 фирмы Renishaw, позволяющая производить измерения всех показателей точности перемещений вдоль линейных и поворотных осей [12].
Калибровка токарного обрабатывающего центра с помощью лазерного интерферометра: методика и специфика. В ходе эксперимента используется лазерная интерферометрическая система Renishaw Laser XL80. Система коммутируется и подключается к ПК, затем производится первичная установка луча лазера таким образом, чтобы луч лазера был параллелен измеряемой оси, а подвижная оптика могла быть без помех перемещена в любую точку в диапазоне измерений. Для этого на данном станке пришлось демонтировать два защитных кожуха со стороны задней бабки (рис. 2). Вместе с этим устанавливается вся необходимая оптика и производится окончательная юстировка интерферометра.
В нашем случае установить неподвижную оптику на шпиндель не представляется возможным из-за отсутствия возможности полностью заблокировать его вращение. В отсутствие подходящих горизонтальных либо вертикальных поверхностей вдоль оси станка для установки линейного рефлектора с помощью крепежа, идущего в комплекте лазерной системы XL80, и, следовательно, невозможности использования классической схемы измерений
о
го
Рис. 2. Фотография установки оптики для юстировки вдоль оси Z
Рис. 3. Схема измерения линейных перемещений с помощью интерферометрической системы
Рис. 4. Фотография установленного лазера для измерения люфта оси Z
(рис. 3) необходимо было сооружать дополнительные конструкции, что потребовало бы дополнительное время на диагностику. Однако, так как рефлектор угловых перемещения состоит из двух ретрорефлекторов, расположенных на определенном расстоянии, было принято решение использовать в качестве неподвижного рефлектора одно из «окон» рефлектора угловых перемещений, поскольку оно имеет возможность бокового крепежа на стойке, установленной на боковом защитном кожухе внутри рабочей зоны станка (рис. 4).
Схема эксперимента. Ход выполнения эксперимента: по окончании юстировки луча параллельно
оси Z рабочий орган станка перемещается за диапазон измерения и после подвода в исходную точку измерения производится обнуление значений интерферометра. После этого производят серию перемещений исполнительного органа станка, разделенных паузами для фиксации значений измерений лазерной системы, по заданной заранее программе.
Исследование проводилось со следующими параметрами: диапазон измерения — 360 мм, дискретность оси Z — 20 мм, время выдержки в точке — 4 с, тип измерения: двунаправленный проход. Начальная и конечная точка измерений находится на расстоянии 380 мм от кулачков токарного патрона, направление первого прохода — к шпинделю на расстояние 20 мм от кулачков, затем производится перебег 5 мм и второй проход в обратном направлении.
Анализ результатов. По результатам эксперимента, представленным на рис. 5, сформированным с помощью программного обеспечения, идущего в комплекте с интерферометрической системой, определяется величина ошибки позиционирования. Основная причина отклонения от точности позиционирования — это ошибка реверса. Средняя величина люфта при двунаправленном позиционировании рабочего органа с корректором люфта backlash = =0,008 мм, установленным изготовителем, составила 71,9 мкм и превышает значения отклонений, нормируемых технической документацией для исследуемого станка.
Предполагаемая причина данного отклонения — механический износ шариковинтовой пары оси Z, возникший в ходе нормального процесса эксплуатации станка на протяжении практически 10 лет [4].
В настоящее время существует два подхода к решению данного вопроса. Программный подход — программная коррекция величины люфта, динамики процесса его выборки и прочие параметры числовой коррекции механического износа винтовой пары. Механический подход: замена шариковинто-вой пары на новую с последующим изменением таблицы компенсации для корректной работы новой ШВП.
Было принято решение исследовать зависимость величины люфта от величины программной коррекции встроенными средствами инженерного меню обрабатывающего центра Okuma ESL 8II с системой ЧПУ OSP U10L.
Данная система управления имеет ряд особенностей: перезагрузки системы управления недостаточно для изменения параметров коррекции люфта. Корректор люфта (backlash) в инженерном меню применяет измененное значение для коррекции перемещений после кэширования всех корректоров (функция «back up» в СЧПУ) и обязательного отключения питания станка.
Повторный эксперимент со значением параметра backlash = 0,040 мм показал, что увеличение величины корректора приводит к ухудшению точности позиционирования станка. Было принято решение о настройке станка с отрицательным корректором.
Изменение параметра коррекции перемещений вдоль оси Z станка с помощью встроенных функций была выполнена многократно с целью нахождения отрицательной величины корректора, обеспечивающей наименьшую ошибку реверса. На совмещенном графике (рис. 6) представлены результаты линейных измерений оси Z станка при настройке с корректорами 0,08; -0,04; -0,060; -0,063; -0,065.
Имя (+) [мкм] (-) [мкм] 2-стор. [мкм] Точность (А] Повторяемость (В)
Сист. откл.(Е) 36,6 76,0 105,4
Имя Значение [мкм]
Ошибка реверса (В) 36.2
Средняя ошибка реверса 71,0
Среднее отклонение (М) 46,6
Рис. 5. График перемещений рабочего органа станка вдоль оси Z в марте 2017 г.
Рис. 6. Совмещенный график измерений люфта на длине 360 мм с различными значениями корректора
Имя С+) [мкм] (-) [мкм] 2-стор. [мкм] Имя Значение [мкм]
Точность (А) Ошибка реверса (В) 23,8
Повторяемость ТО Средняя ошибка реверса 0.4
Сист. откл. (Е) 37,0 49,6 55,7 Среднее отклонение (М) 38,8
Рис. 7. Отчет системы Renishaw и график линейных перемещений станка с отрицательной коррекцией люфта 0,063 мм
Очевидным становится визуальная повторяемость траектории не только на реверсных проходах, но и на проходах с разной величиной корректора. Это подтверждает гипотезу о возникновении погрешностей позиционирования вслед-
ствие механического износа шариковинтовой пары оси Z.
При анализе графика очевидно наличие повышенного износа винта перемещений в зоне 60 мм около токарного патрона (правый край на графике
о
го
Рис. 8. Совмещенный график линейных измерений станка до и после калибровки оси
рис. 5). Единственный способ обеспечения минимальной ошибки реверса на протяжении всего диапазона измерений это внесение изменений в таблицу компенсаций системы управления. Осуществить подобную полноценную калибровку — следующая задача, которая будет реализована нашей рабочей группой.
Наименьшая средняя величина люфта была обнаружена при измерении станка по оси Z с величиной коррекции люфта backlash =—0,063 мм (до регулировки 0,008 мм) и представлены на рис. 7.
Станок после настройки с помощью изменения встроенных параметров достиг следующих параметров по оси Z: точность (максимальное расхождение при позиционировании) 23,8 (до регулировки 86,2) мкм, средняя ошибка реверса 0,4 (до регулировки 71) мкм (рис. 8).
Суммарное время диагностики и программной корректировки люфта по оси Z токарного обрабатывающего центра Okuma ESL 8II с системой ЧПУ OSP U10L составило 2,5 часа вместе с подготовкой оборудования к диагностике, монтажу лазерной системы и оптики, а также поиском оптимального значения корректора.
Выводы
1. Применение неклассических вариантов монтажа измерительной оптики существенно расширяет возможности диагностики оборудования с помощью лазерного интерферометра.
2. Причина потери точности позиционирования у исследуемого станка — возникновение зазоров в шариковинтовых парах вследствие длительной эксплуатации.
3. Величина корректора люфта при увеличении износа может принять отрицательное значение, но продолжать достоверно функционировать.
4. Так как суммарное изменение корректора с учетом знаков во время регулировки оказалось равно средней ошибке реверса при первоначальном замере, то система ЧПУ OSP U10L работает корректно.
5. Для достижения минимальной погрешности позиционирования необходимо проводить регулировку оси с помощью системы ЧПУ на максимально возможном диапазоне измерений, согласно номенклатуре деталей, изготавливаемых на данной единице оборудования.
6. Для повышения точности позиционирования исследованного станка в шпиндельной зоне необходимо внести изменения в таблицу компенсаций либо замену шариковинтовой пары более высокого класса.
Библиографический список
1. Григорьев С. Н., Мартинов Г. М. Проблемы, тенденции и перспективы развития систем числового программного управления технологических систем и комплексов // Автоматизация в промышленности. 2013. № 5. С. 4 — 7.
2. Koltsov A. G., Blokhin D. A., Khabarov A. V., Redo-rovich D. A. The influence of kinematic characteristics of Stewart platform for precision moving measuring mechanism // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2014. P. 1-6. DOI 10.1109/Dynamics.2014.7005669. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id = 23970518 (дата обращения: 10.04.2017).
3. Кольцов А. Г., Блохин Д. А., Васильев Е. В., Назаров П. В., Бугай И. А. Калибровка осей экспериментального круглошли-фовального станка с ЧПУ с помощью лазерного интерферометра // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2016. № 6 (150). С. 25-30.
4. Юркевич В. В., Схиртладзе А. Г., Борискин В. П. Жизненный цикл металлорежущих станков: мониторинг состояния: моногр. Старый Оскол: ТНТ, 2014. 552 с.
5. Мещерякова В. Б., Авдошин К. А. К оценке выходных параметров точности высокоскоростной обработки на станках с числовым программным управлением // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2013. № 2. С. 60-68.
6. Пушков Р. Л., Евстафиева С. В., Ковалёв И. А. Компенсация погрешностей перемещений в современных системах ЧПУ // Системы проектирования технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM — 2012): тр. 12-й Междунар. конф., 18-20 октября 2012 г. М., 2012. С. 229-232.
7. Rahmani M., Bleicher F. Experimental and Numerical Studies of the Influence of Geometric Deviations in the Performance of Machine Tools Linear Guides // Procedia CIRP. 2016. Vol. 41. P. 818-823.
8. Chena C.-J., Jyweb W., Liuc Y.-C., Jwob H.-H. The Development of using the digital projection method to measure the contact angle of ball screw // Physics Procedia. 2011. Vol. 19. Р. 36-42.
9. Телешевский В. И., Соколов В. А. Программная коррекция объемных геометрических погрешностей многокоординатных машин // Динамика систем механизмов и машин. 2016. № 1, Т. 1. С. 389-395.
10. Кольцов А. Г. Диагностика технического состояния металлорежущего оборудования // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2011. № 3 (100). С. 79-83.
11. Базров Б. М. Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков. М.: Машиностроение, 1978. 216 с.
12. Серков Н. А., Никуличев И. В. Методы и средства измерения первичных отклонений звеньев механизмов несущей системы многокоординатных станков с ЧПУ // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2012. № 2. С. 44-52.
БЛОХИН Дмитрий Андреевич, ассистент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты», магистрант гр. КТОм-151 факультета «Элитное образование и магистратура».
КОЛЬЦОВ Александр Германович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». СЕРКОВ Александр Сергеевич, магистрант гр. КТОм-151 факультета «Элитное образование и магистратура».
Адрес для переписки: a.g.koltsov75@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 12.04.2017 г. © Д. А. Блохин, А. Г. Кольцов, А. С. Серков
УДК 6214503 В. Н. КЛИМОВ
Н. И. КЛИМОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
АО «Омское моторостроительное конструкторское бюро», г. Омск
ПЕРСПЕКТИВНАЯ СХЕМА СМАЗКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ КОРОТКОРЕСУРСНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ВОЗДУШНО-ТОПЛИВНОЙ СМЕСЬЮ
Статья посвящена нетрадиционной схеме смазки и охлаждения роторных подшипников короткоресурсных газотурбинных двигателей (ГТД): смазка и охлаждение воздушно-топливной смесью. В работе проанализированы известные схемы смазки короткоресурсных ГТД. Предложена перспективная схема смазки ГТД, отличающаяся конструктивной простотой, более благоприятными условиями смазки подшипников, уменьшенным удельным расходом топлива и повышенной пожаробезопасностью. Представлены результаты экспериментальных исследований работоспособности шарикового радиально-упорного подшипника в условиях смазки и охлаждения воздушно-топливной смесью. Даны рекомендации по внедрению предложенной схемы в конструкцию ГТД.
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, схема смазки и охлаждения подшипников, короткоресурсный ГТД.
При проектировании малоразмерных коротко-ресурсных газотурбинных двигателей (ГТД) ключевыми параметрами являются их надежность, величина тяги и удельного расхода топлива, габаритные размеры, вес и стоимость. Одним из основных способов улучшения массогабаритных характеристик, а также уменьшения стоимости короткоресурсных ГТД является упрощение их конструкции, систем и агрегатов. В части системы смазки двигателя эффективным мероприятием для этого может быть использование газодинамических подшипников скольжения [1] или переход от традиционной цир-
куляционной масляной системы смазки [2] к разомкнутой схеме смазки.
Установка газодинамических подшипников скольжения позволяет отказаться от традиционной масляной системы двигателя, однако опыт изготовления и применения таких подшипников в отечественных газотурбинных авиационных двигателях в настоящее время практически отсутствует.
Использование разомкнутой схемы масляной системы ГТД позволяет отказаться от применения охладителя, маслоотделителя, маслонасоса и магистралей откачки масла из опор двигателя. Недостатком
о
го
