CC BY
28
УДК 67.05+621.9.08
ОЦЕМ<Л ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ТОЧНОСТЬ ОМV-ТЕХНОЛОГИЙ
А. Г. Кольцов. Д. А. Злохлн. Е. В. Кривонос. А Н. Нарежнев Омский государственный технический ушвгрсишт, г. Омск, Россия
Лнношаигя - Контроль деталей является неотъемлемой частью тешологнческого процесса производства. Рассмотрен вопрос повышения точности контроля детален непосредственно на металлорежущих члькад.. пил юлы к иршшплшш ф\нкыюнальний jjiai hjciumi мепылореаашею oûop* ловлннн. а именно контроля параметров позиционирования рабочего органа хтя поддержания возможности OMY-технологпй на станке. Задачей исследования яьляется оценка изменения точности измерения в зависимости от скорости подачппзмсрнтсльпого щупа и от гсомстричсской точности самого станка с пспользо ваннем методов математической статистики. Были дважды проведены замеры пробных образцов: непосредственно на станке с помошью Powerlnspect OMV и на координатно-нзмернтельноп машине с помощью встроенного программного оорспйчрния. Подобный тест прояолится до и после настройки станка. R ходе эксперимента установлено, что скорость подачи при измерении детали на станке влияет на результат измерении, притом при её увеличении величина отклонении становится меньше. При сокращении допуска на точность позшшоннровання в 2 раза достигается повышение точности измерений в 3 раза. Очевиден значительный позитивный эффект от любых технологий, повышающих точность металлоре-ж\ша\ сынкив. Ошимальным сиосиби.м поддержании нарлмефив славка в пределах визволиюшил проведение измерении на нем. является ремонт по фактическому состоянию с интервалом между проверками полгода при загрузке в 1-2 смены. 4 месяца при круглосуточной загрузке оборудования.
Ключевые слоеа: скорость измерении, точность измерений.
Т RRF.tfhiif
Современные тенденции развития машиностроения лодталкивают нас к максимальной автоматизации механической обработки. На многих производствах уже используются многокоординагные и многошпнндельные токарно-фрезерные обрабатываюпше центры с ЧПУ. на которых программирование обработки ведется с помощью современных CAD CAM CAI систем. В связи с постоянно ужесточающимися допусками изготавливаемых дстатсй особенно ост£о всгаст вопрос о достижении высокой точности обработки н сс контроле непосредственно на станке с ЧПУ в автоматическом режиме по заранее составленной измерительной программе. Необходимость контроля именно на станке обусловливается ситуациями, где снятие -установка заготовки нарушает технологический процесс или лишает воэмолшостн нзмерешш рпшгшых параметрсв.
Для подготовки управляющих программ и подготовки отчетов после измерений используется специализированное программное обеспечение CAI (например. Pcwerhspect OMV, Renishaw OMY. Productivity- NX10). Дття пехсвого про-рамшфгжания измеритель кых циклов примекятотгя програм\п>т FasyProhe и Inspection Plus фирмы Rem sha w.
Б настоящее время в мире практически каждый новый станок при поставке комплектуется измерительными щупами фирмы Renislmv (Великобритания) и при покупке CAI-системы возможно на станке проведение операций автоматического контроля. Данные операции задаются заранее программистом с помощь CAI-системы. поэтому не требуют метрологических навыков от оператора станка.
OMV-техЕологин (от англ. on machine xerificatiori) - комплекс существующих технологий, направленных на решение наиболее сложных задач измерений детали непосредственно на металлорежущем ганке.
Опенка состояния объекта технологического оборудования только на сснове результатов сравнения требуемых рабочих параметров измерения с паспортными данными, указанными в конструкторской документации, является недостаточной для оценки работоспособности и текущего технического состояния этого объекта. Обеспечение точности и стабильности измерений на станке технологически является более глокной чад^чей чем поддержание параметров геометрической точности оборудования в заданных паспортными данными диапазонах.
В настоящее время с целью поддержания технического состояния станочного парка предприятия осуществляют переход от планово-предупредительного ремонта к ремонту по фактическому техническому :остоянию.
Д.тя перехода предприятия на технологию ремонта го фактическому состоянию необходимо провести комплекс работ пс определению технического состояния действующего технологического оборудования и станочного парка. Решению этой задачи способствует паспортизация оборудования, проводимая при изготовлении, при эксплуатации и после ремонта [1].
В этих случаях прибегают к комплексной диагностике состояния оборудования. Для металлорежущего станка это может сыть измерение точности геометрии станка рядом обычных измерений с помошью индикаторных стоек, угольников и другими способами, прецизионная проверка точности перемещения исполнительного органа современными методами диагностики, в том числе экспресс-диагностики с выдачей результатов и системами их анализа Г-1 Также возможно изготовление пробной детали с последующим измерением на ксор-динатно-измернтельной машине.
Некоторые исследователи создали методики, основанные на вычислении ошибки конечного положения исполнительного оргяна через комбинацию совместных параметров кинематических погрешностей отдельных осей [3] ити вычислениях с помощью матриц [4]. но такие методики требуют высокой точности исходных данных. которые сложны в получении [5]
Проблемы практической: применения технической диагностики металлорежущих станков связаны с большим количеством нх типоразмеров и видов, разнообразием конструкций. В зависимости от обьекта. диагностику когоро-онеобходимочровегти гтри\'еняетсятот итигоюйметоялшгногттатл^омпттеьсиетодов [fi 7]
С помощью диагностики технических систем решаются задачи: своевременное выявление дефектов узлов и деталей оборудования: поддержание эксплуатационных показателей оборудования в установленных пределах: прогнозирование технического состояния узлов и оборудования: планирование технического обслуживания и ремонта оборудования го фактическому состоянию [8].
И$мерення только точности пэ«оппонирования не способны дать полную картину о точностных характеристиках станка [9].В нормальных условиях экешуатацни станка вращение шпинделя, а также изменение температуры окружающей среды могут вызвать значительные тегоовые деформации. В нормальном рабочем состоянии геометрические погрешности станка могу? значительно отличаться от тех что были измерены в «холодном» состоянии [10]. С целью устранения подобных отклонений измерение щупом на станке проводится непосредственно после изготовления детали.
II. Постановка задачи
Основная функция, выполняемая измерительной системой, сообщить СЧПУ о срабатывании датчика, пссле чего СЧПУ производит запись координат текущего положения щупа. Датчик - основной элемент измеритель-нон системы, и точность измерения зависит от того, насколько быстро эн сработает после касания обьегга.
Выясним, с какой погрешностью будут выполняться измерения на станке с ЧГГУ при условии, что общая погрешность измерения нз станке будет складываться из:
1) точности измерительной системы, а именно геометрической точности станка, на котором проводится измерение (OKUMA MU-400VA);
2) разной скорссти подачи измерительного щупа RENISHAW ЭМР-60.
Для проверки истинности результатов измеренш на станке произведем измерение осработаннэй детали на гоординатно-тмерителчной матине хТТапт: KTJfvf-7SO>¡ Точностные характеригтиги этой измерительной машины бытн исследованы в [И]. Ошибка позиционирования измерительное щ>та не превышает 2 мкм.
В ходе экспериментов проведем опенку влияния точнэстн станка на точность измерений на нем
ш. Эксперимент
В качестве образца ~ля проведения экспериментов используем деталь в форме цилиндра с размером 091.45 мм. который пэлучен кентурным фрезерованием на станке OKUMA \1U-400VA за один проход фрезой 012 мм со следующими режимами резания: Ар=10 мм. Ае=1.5 мм. Vc=95 м мни. Fz=0.C5 мм. Управляющая программа измерения детали была составлена с помощью CAI - системы PowerENSPECT фирмы DELCAM PU Великобритания. Также с помощью данного программного обеспечения производится анализ и составлялись отчеты по результатам измерений. На рис. 1 изображена схема обработки образца.
R качестве примера проитедем измерение откленения от круптогти цигиндричег кой ловерхности r двадцати пяти точках равномерно распределенных по окружности, при разных скэростях подачи измерительного щупа (рнс. 2). Измеряемая деталь со станка не снималась с тем. чтобы исключить влияние погрешностей базирования н позиционирования на результаты измерении. Схема измерений представлена на рнс. 2.
Рис. I. Схема обработки сбраща: 1 - инструмент ? - обработанная поверхность 3 - пробная деталь
?нс. 2. Схема метода измерения отклонения формы и размеров образца: 1- измерительный щуп. 2 - точки измерения. 3 - измеряемая деталь
Также било проведено игслрдояание зависимости погрешности ст скорости намерения Измерения на стян-ке ос>тпествтятпсь со следующими подачами F=250.500. 750,1000.1250.15СО. 1750.2000 мм мин.
IV. Результаты экспериментов Измеренное в ходе эксперимента среднее отклонение в результатах измерений на станке с помощью Powerlmpect OMV к на координатно-измернтельной машине составляет более 14.5 мкм.
Влияние скорости измерения образпа выбранным датчиком на его точность составляет менее S мкм при диапазоне подач F=?50 9000 мм/мин
Для анализа зависимости погрешности от скорости измерения были выбраны те значения, среднее арифметическое которых давало наименьшее отклонение от номинала. Измерения на КИМ производились с постоянной скоростью п идентичным расположением (taie и па станке) образца Результаты представлены па рис. 3 в виде лепестковой диаграммы. При рассмотрении результатов проведенных измерений (рис. 3) очевидно что с увеличением скорости измерения величина измеряемой погрешности изменяется в меньшую сторону.
ТГ-25
ТП-14 ТП-13 —^—250 —"—500 -4-750-1000 -1250 — 1500 -1750 -2000
Рнс. 3. Зависимость результатов измерений отклонений формы (мкм) от скорости измерения (м мин)
Обработанные результаты прситпострированы в виде полярной диаграммы (рнс. 4). Можно выявить некоторые диапазоны, в кэторых результаты замеров на КИМ и на станке значительно различаются. Так как разница в измерениях на станке и КИМ достаточно велика, то необходимо выяснить факторы, влияющие на столь значительные отклонения. В данном случае рассмотрим влияние геометрической точности станка, а также скорости измерения на станке
0.07114
ГО.М369
0.05?5г
0.06327ТГК
5.024
0.05951
0.«М67,
0.03749
0*3219
0,0469}
0.04901
—♦—КИМ -в-Стлион
ТП-1
1П-Й Т!»-2
тг-м
о ОМ
ТО 24 О.05С
0.961
332€ пот \Qibn
0.0570 ~ ТЛ-и 1ЧО0ИО6
о.сез \\ о.эсо
••17
0.066М
тою
0.071
9.072 0,071
ТП-14 ТЛИ
Рнс. 4. Схема распределения отклонений от круглости (мкм) при тмерешш образце на стайке и КИМ
V. Обсуждение результатов
Из рнс. 4 следует, что в ряде диапазонов (ТГО-ТПЗ. ТП7-ТП11.7П20-ТП25) можно наблюдать неодшаковое изменение значений замеров и большое расхождение получаемых размеров непосредственно на станке и на коорлшатно-измерительных машинах, непосредственно предназначенных хтя измерения. Это повлияет нз конечное рэтмери летала поскольку измерения на станке пр?дстаялякуг собой чямкнутутс систему, и станог. произведя компенсацию после измерения. будет выводить инструмент за пределы поля допуска номинального размера, осооеппо это важно при толпой обработке ;IT5 ГГ8). Измерения при высоком классе тотпссти гаго тоолегшя детален ZT5 ITS производить пе рекомендуется. Измеренное среднее сиаопенпе в результатах пзме рента составляет более 14,5 мкм. По при данных измерениях не учитывалась геометрилсскад точность станка OKUMA MU-4COVA.
Геометрические неточности, такие как ошибки позиционирования. отклонения осей от прямолинейности и плоскостности, наклон оси шпинде.ля. неперпендикулярность. люфты и др. составляют основную часть неточностей станка [12]
Самый перспективный метод оценки технологических возможностей оборудования это экспресс-диагностика выполнения станксм перемещения по круговой траектории. [13]. 'Эта методика позволяет определить как погрепшосги механики: люфты, соковые люфты, выбросы обратного хода по обеим осям, и их отклонение от взаимной перпендикулярности так п погрешности перемещения исполнительного органа, вызвзнные-неточностью работы системы ЧПУ: рассотлагованне приводов, расссглассванне шкал, циклическая кинематическая погрешность н её шаг. При этом типе измерений система анализирует все неточности станка при зылол-пешш ьрутоЕой траектории и определяет значение отклонешгя от задашгои траектории н точность пс зиднопи рованнй.
.jhc. о. Диашостгаса геометрических характеристик станка ok.uma ml-400vaпри помоши: а - системы Ballbar QC-20W фирмы Renishaw лазерного интерферометра XLS0: b - системы коиграля точности псвооотных осей XR30 фиомы Eensfcaw
С пе.лью расширения возможностей станка, в частности при применении ОМУ-технологий была произведена проверка гесметрическчй точности стачка с помотптю лазерных систем УТ.-ЯО УИ-?0 (рис ^Ь) и сигтемкт контроля по параметру отклонения от круглоггн ВаИЬаг <ЗС-20 (риг. 5а) фирмы ИЕМКНА\1\ измерения проводятся в соответствии со стандартом ВО 23Э [14]. Результаты измерений представлены нз рнс. 5—8.
На рнс б представлены результаты дгогностнкн станкг ОКЦМА \IU-400YA при помоши лазерного интерферометра ХЬЗО фирмы Исш.$1за\\. а именно линейные тмере:-шл. которые представлены на трех трафиках: среднее однонаправленное отклонение, погрепшости обратного хода и вариация показаний. Общая ошибка по данному тесту составляет 0.054 мм. что недопустимо для станка, данного класса. По паспорту данное значение не должно оытъ более 0.008 мм. На. рис. / представленз круговая диаграмма ВаЦЬаг-диагностики точности статна ОКЦМА \1U400VA. из которой видно. что отклонение от круглосги составляет 18 мкм. а по паспорту не белее 13 мкм. Суммарное отклонение позиционирования повсрогныхосей находится в допуске.
5 -0.035
0 50 100
Ошибка при реверсировании
150 200 250 300 35Э 400
точка (мм)
250
300
350
400
Рис. 6. Результаты диагностики станка ОКЦМАМи-400УАпри помощи лазерного интерферометра Х180 фирмы 11еп1^11а\\- Ошибка реверса 0.0096 мм. 2-награвлекиое повторение 0.0137 мм. Ошибка познпионирэвания 0.0544 мм
37% Л«х&т X
» Х0,2»«>см
• 12,9и1си
16% Лк>фтУ
$г7мки -4р1нкн
15% Отклонение от прямолинейности V
*10|3жн
7% Рассогласование шкал
•5Ди*л
6% Циклическая ошибка У
♦ 2,1мки *2,1ики
Допуск И» ТОЧНОСТЬ погиционироваиия Радиус »»аилумиего соответствия Отклонение от круглости
36,7мкн :50.0005мм 13,9мкм
Проход 1 П|>в*вл 2
♦УХ
Рис. 7. Круговая диаграмма ВаИЬаг-диагностдкн точности станка ОК1.ГМА М1Г-400\'Л
Из этих измерений можно сделать следующие выводы:
1. Станок находится в неудовлетворительном состоянии.
2. Необходимо произвести калибровку и настройку станка с доведением точности до паспортных значении с запасом точности.
В дальнейшем быта произведена настройка станка и проведена проверка геометрических характеристик, представленных на рнс 8. По результатам измерения отклонение от хруглостн составляет 8.6 мкм при допустимой величине не более 10 мкм.
2,С««сх/Дгл
244 ОтнЛф|««.ив о» yrt«p».ociv»
4?.4mm/M
19% Выбросы обратного «ода X » *2.вмкм
• -3.4NKM
17*, выбросы обратмого «ода v »-2.2шт - -2.9и*и
12% .*>ОТ X
• '¿О»««
• -l.OwtH
94 iV>OT Y
>*1,(мм
• • 1.6*«м
Допуск Кв ТОНКОСТЬ »•о з » и««о« и роевк и в Рлслус каилучигегс соотвв-сгвия Отклонение от
КруГЯОСТИ
17,7и<м 15C,OCOS*H в,«*«*
Рис. 8 Круговая диаграмма Ва11Ъаг диагностики точности стшка ОКЦМЛМи ЮОУЛ
После проведенной нас.ройкл на сха.-хке был проведен иоыорный зкшеримеш. резульхахы кохирехо представлены на рнс. 9. По результатам измерений средняя разница между двумя измерениями на станке н КИМ не превышает 5 мкм.
Ci>i»v»
1ИМ
5.0Л05 0.С0С2
0.05'03
O.Ojb 31
0.0S616
0.0Í2S
1,05*24
1,0*127
'.047Ы
1.05259
QOS90!
IDS906
0.0558.
Рис. 9. Схема распределения погрешности при измерении на станке н КИМ при повтернэм эксперименте
VI. Еыводы
1. Скорость подачи прн ишеренни детали на станке влияет на результат измерений, причем при её увеличении значение отктонений станэвигся меньше. Влияние скорости измерения образца выбранным датчиком на его точность составляет менее Э мкм при лнапазоне полач Р=250...2ЭОО мм мин.
2. Прп сокращении допуска на точность позиционирования в 2 раза достигается повышение точности измерении в 3 раза. Очевиден значительный позитивный эффект от любых технологии, повышающих точность металлорежущих станков.
3. Станок не является специализированным оборудованием дтя выдачи окончательного заключения о годности детали. Контроль непосредственно на станке позволяет удостовериться в точности детали до снятия ее со станка. В случае если при измерениях на КИМ обнаруживается рассогласование размеров, то это позволяет говорить о необоснованности применения данного оборудования для обработан нзделнй данной точности и служит критерием вывода оборудования в ремонт.
4. Для проведения измерения на станке необходимо убедиться в его геометрической точности.
5. Для сокращения времени проверки в большинстве случаев достаточно применять систему контроля по параметру круглости например. Ballbar QC-20 (рнс. 5а) фирмы RENISHAW. Если данных по измерению недостаточно и отклонения от паспортных достаточно велики, то необходимо применение лазерных систем, например. RENISHAW XL-SO. XR-20, калибровка н настройка станка.
6. Точность прогноза возрастает при регулярном наблюдении ja состоянием станка. Оптимальным способом поддержания точности является ремонт по фактическом}' состоянию. Оптимальным интервалом между проверками является полгода ирн загрузке в 1-2 смены. 4 - месяца при круглосуточной ?агру?ке оборудования.
Список ЛИТЕРАТУРЫ
1. Muelaner J.E.: Yang B.R_: Davy С.г Verma M.R.. Maropoulos P.G. Rapid Machine Tool Verification H 8th International Conference on Digital Enterprise Technology DET. 2 014. Disruptive Innovation in Manufacturing Engineering towards the 4th Industrial Revolution Procedia CIRP. 2014. Vol. 25. P. 431^438.
2. A machining test to evaluate geometric errors of five-axis machine tools with its application to thermal deformation test // 6th CIRP Intern, conf. on High Performance Cutting. Soichi Ibaraki and Yusuke Ota. 2014. P. 323-328.
3. Efcinci Т..Mayer J.. Relationships between straightness and angular kinematic errors in machines // International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2007. Vol. 47. P. 1997-2004.
4. Кольцов А. Г. Методика построения математической модели точности обработки с учетом геометрических: кинематических и динамических факторов // Омский научный вестник. 2014. №1(127). С. 96-100.
5. Yang Jixiang Ding Han. A new position independent geometric errors identification model of five-axis serial machine tools based on differential motion matrices H International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2016. Vol. 104.P. 68-77.
6. Kahniani Mahdi. Bleicher Friedrich. Experimental and numerical smdies of the influence of geometric deviations in the performance of machine tools linear euides It 48th СЖР conf on MANUFACTURING SYSTEMS - CIRP CMS 2015. 2016.P. 818-&23.
7. Писарев В. И.. Ваганов А. А.. Денисенко А. Ф.. Тютерев И. О. Техническое обслуживание и ремонт металлорежущих станков с "ЧЕТУ на основе безразборной диагностики технического состояния И Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, № 1(2). С. 508-514.
Ё. Mahdi Rahmani. Stephan Krall. Friedrich Bleicher. Experimental Investigations on Stick-Slip Phenomenon and Friction Characteristics of Linear Guides // 25th DAAAM Intern symposium on Intelligent Manufacturing and Automation 2014= 2015.P. 1023-1031.
9. KwangH Lee. Seung-Han Yang. Robust measurement method and uncertainty analysis for position-independent geometric errors of a rotary axis using a double ball-bar// International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2013. Vol. 14. no. 2. P. 231-239.
10. Roya R., Sfarkb Trachtc K., Takatad S._ Morie M. Continuous maintenance and the future - Foundations and technological challenges // CIRP Annals - Manufocftiring Technology. 2016.
11. Kolzov A. G., Blochin D. A.. Khabarov A.V., Redorovich 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: 10.11 OQ/Dynamics. 2014.7005669.
12. Wahid Khan Abdul. Chen Wuyi. Systematic Geometric Error Modeling for Workspace Volumetric Calibration of a 5-axis Turbine Blade Grinding Machine // Chinese Journal of Aeronautics. 2010. Vol. 23, no. 5. P. 604-615.
13. Verma M. R_, Chalzivagiannis E.. Jones D.. Maropoulos P. G. Comparison of the Measurement Performance of High Precision Multi-axis Metal Cutting Machine Tools // 8th International Conference on Digital Enterprise Technology- DET 2014. Disruptive Innovation in Manufacturing Engineering towards the 4th Industrial Revolution Procedia CTRP. 2014. Vol. 25. P. 138-145.
14. ГОСТ P ИСО 230-1-2010. Испытания станков. URL: http://gosirf.com uormadata/1/4293806/4293806658 pdf
