animateMainmenucolor
activeMenucolor
Главная / ЧПУ станок / Фрезерный ОЦ / Точность положения инструмента обрабатывающего центра с ЧПУ

Точность положения инструмента обрабатывающего центра с ЧПУ

обрабатывающий центр с ЧПУ

В статье рассмотрен вопрос достижения динамической точности в рабочем пространстве одностоечного прецизионного станка типа обрабатывающий центр с ЧПУ путем формирования оптимальной диаграммы движения интерполирующих координат и устройства автоматической смены инструмента (УАСИ).

В настоящее время активизирована научно-исследовательская деятельность, направленная на повышение точности и производительности металлорежущих прецизионных координатно-расточных станков типа обрабатывающих центров. Анализ эксплуатации указанных станков, называемых также многооперационными станками (МС) Показывает, что их производительность выше в среднем в 3-8 раз по сравнению с производительностью обычных станков. Многооперационные станки характеризуются высоким уровнем автоматизации и с успехом могут применяться в гибких автоматизированных производствах.

Точность станка (т. е. точность положения инструмента в рабочем пространстве станка) определяется как геометрической точностью его узлов, так и рядом других важнейших параметров. К таким параметрам относятся: упругие деформации кинематической цепи приводов перемещения узлов станка (ходовых винтов, валов, подшипников): упругие деформации в стыках контактных сопряжений (стойка - станина, станина - стол, вал подшипник и т. п.), температурные деформации; люфты в кинематических цепях.

Погрешности в положении пары инструмент деталь можно разделить на два вида:

  • статические погрешности имеющие конструктивно-технологическую природу и могут быть устранены путем соответствующей компоновки станка, установки и базирования деталей и механизмов станка, применения новых конструкционных материалов;
  • динамические погрешности определяют качество поверхности обрабатываемых деталей. В условиях работ по развитию нанотехнологий этот вид погрешностей приобретает особо важное значение. Динамические ошибки можно компенсировать введением системы автоматического управления (САУ) механическими параметрами обрабатывающего центра и совершенных средств автоматики.

Исследования динамической составляющей погрешности на точность положения инструмента в рабочем пространстве станка и апробацию методов минимизации динамической ошибки проводили на обрабатывающем центре модели 2440СМФ4, который представляет собой прецизионный одностоечный трехкоординатный сверлильно-фрезерно-расточный станок с УЧПУ SINUMERIK 840D фирмы SIEMENS и устройства автоматической смены инструмента модели ISO 40-16DV. Разрешающая способность обрабатывающего центра по координатам X, Y, Z составляет 0,001 мм. Основное отклонение позиционирования составляет: Рα= 0,0025 мм для координат X и Y и Pα= 0,004 мм для координаты Z (что соответствует NMTBA-VDI/DGQ3441).

Математическая модель формирования погрешностей положения инструмента в рабочем пространстве обрабатывающего центра с ЧПУ приведена на рис. 1. Блоки «X», «Y», «Z» представляют собой автономные сепаратные каналы интерполирующих координат X, Y, Z соответственно, которые синтезированы на основе уравнений состояния Лагранжа, а также допущении, что силы и моменты демпфирования линейно зависят от скорости соответствующих деформаций. Обозначения на рис. 1 следующие: ∆ВХх(р), ∆ВХy(р), ∆ВХz(р) - изображения помех, которые взаимообразно воздействуют на интерполирующие координаты X, Y и Z соответственно; ∆Пх(р), ∆Пy(р), ∆Пz(р) - изображения собственных помех интерполирующих координат. Отклонение подвижного органа от заданного положения представлено: изображением ∆X(р) - для координаты Х; изображением ∆Y(р) - для координаты Y, изображением ∆Z(р) - для координаты Z.

Рис. 1. Математическая модель формирования погрешностей положения инструмента в рабочем пространстве обрабатывающего центра 2440CMФ4

Устройство автоматической смены инструмента обрабатывающего центра, как источник помех, представлено четырьмя формирователями помех, которые возникают на различных этапах технологической операции смены инструментов: РЗ - захват инструментов рукой, РВ - выем инструментов; РП - посадка инструментов; PС - сход руки с инструмента. Формирователи моделируют средствами библиотеки Simulink и подключают к многосвязной модели через мультиплексор, обеспечивающий очередность коммутации сигналов помех в функции времени.

В ходе анализа полученной многосвязной модели формирования погрешности программным комплексом Matlab, а также экспериментально, выявлены два наиболее существенных источника помех:

  • устройство автоматической смены инструмента (при автоматической смене инструмента);
  • шпиндельная бабка (интерполирующая координата Z) с разгружающим противовесом, работающая в режиме осцилляции.

Осцилляция шпиндельной бабкой позволяет реализовать технологический процесс шлифования на обрабатывающем центре 2440СМФ4.

Для анализа влияния режима осцилляции шпиндельной бабкой на ошибку положения инструмента в рабочем пространстве, необходимо определить наибольшее значение отклонения интерполирующих координат X и Y от заданного положения, так как указанные координаты - образующие траектории перемещения рабочего инструмента.

Экспериментально установлено, что в процессе осцилляции шпиндельной бабкой реальная динамическая погрешность положения интерполирующих координат Х и Y имеет зависимость от линейной скорости vZ, перемещения шпиндельной бабки, а также от ускорения а, сервопривода подачи координаты Z и в целом носит случайный характер (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость отклонения ∆Y от времени t: а - линейная скорость перемещения (по координате Z) шпиндельной бабки (vZ=12 м/мин); ускорение (по координате Z) сервопривода подачи (αZ=3 м/с2); б - при vZ= 12 м/мин, αZ=0,5 м/с2

Для получения достоверного значения наибольшего отклонения интерполирующих координат, особенно при малых значениях vZ, и αZ, применяли метод, основанный на статистическом распределении случайной величины.

Обозначив наибольшее отклонение интерполирующей координаты Х как ∆Xmax, а наибольшее отклонение интерполирующей координаты Y как ∆Ymax, представим указанные величины в виде функциональной зависимости от ускорения αZ для различных значений линейных скоростей vZ. Полученные графики (рис. 3 и 4) позволяют определить режим работы сервопривода подачи интерполирующей координаты Z для режима осцилляции с целью обеспечения заявленной точности.

Рис. 3. График зависимости наибольшего отклонения ∆Xmax интерполирующей координаты X от ускорения αZ.

Необходимо отметить, что обеспечение точности не менее 0,32 мкм возможно лишь при относительно малых значениях линейной скорости vZ подачи и ускорения αZ, что накладывает ограничения на частоту осцилляции и на толщину шлифуемой заготовки. Увеличить (примерно в 2 раза) линейную скорость vZ подачи и ускорение αZ с сохранением заданной точности, можно, применив S-образную траекторию разгона (торможения) серводвигателя интерполирующей координаты Z. Существенно лучшие результаты дает использование шлифовальных сервоголовок меньшей массы, имеющих пневматическую или гидравлическую разгрузку.

Рис. 4. График зависимости наибольшего отклонения ∆Ymax интерполирующей координаты Y от ускорения αZ

Другим источником возмущающих колебаний является автоматическая смена инструмента, основные части которой - механизм индексации (МИ) и механизм смены инструмента (МСИ). Назначение МИ - хранение и выбор инструментов. Инструменты транспортируют рукой с двумя U-образными пружинными захватами.

Стандартная схема согласования МСИ с УЧПУ обрабатывающего центра предполагает наличие двух бесконтактных индукционных датчиков, которые формируют сигнал «исходное положение руки» и сигнал «позиционирование руки».

Циклограмма работы механизма смены инструмента (рис. 5) показывает изменение частоты од вращения вала электродвигателя МСИ в зависимости от времени t.

Рис. 5. Циклограмма изменения частоты ωДВ, вращения электродвигателя механизма смены инструмента от времени t смены инструмента

Технологическая операция автоматической смены инструмента начинается с подачи команды «смена инструмента» (точка t0) (см. рис. 5), при этом включается электродвигатель механизма смены инструмента. Когда U-образные захваты руки захватят сменяемый и сменяющий инструменты (точка t1), по появившемуся сигналу «позиционирование руки» контроллер УЧПУ останавливает электродвигатель МСИ.

На интервале t2-t3 начинается процесс разжима инструмента в шпинделе. Когда инструмент разжат, электродвигатель механизма смены инструмента включается (точка t3). Затем следует выем инструментов (точка t4), поворот руки на 180° и посадка инструментов (точка t5). Таким образом, сменяемый инструмент оказывается в инструментальном магазине, а сменяющий его инструмент - в шпинделе обрабатывающего центра. В точке t5 выдается сигнал «позиционирование руки», по которому электродвигатель МСИ остановится. На интервале t6-t7 инструмент зажимается в шпинделе. По окончании зажима инструмента включится электродвигатель МСИ (точка t7), U-образные захваты руки сойдут с инструментов (точка t8) и в точке t9 рука займет исходное положение. По сигналу «исходное положение руки» электродвигатель МСИ отключится и на этом процесс смены инструмента завершится.

В процессе работы механизма смены инструмента имеют место значительные соударения деталей U-образного захвата руки с оправкой инструмента (точки t1 и t8), а также конуса оправки инструмента с конусом Морзе шпинделя (точки t4 и t5), что приводит к появлению значительных динамических возмущений (вибраций). Указанные вибрации, распространяясь по всем узлам станка, могут долгое время не затухать благодаря возникновению резонансных явлений в упругих элементах.

На рис. 6, а показана осциллограмма отклонения ∆Z интерполирующей координаты Z (шпиндельной бабки) от заданного положения в момент посадки инструмента (точка t5), что соответствует наиболее критическому моменту в процессе возникновения динамических помех этапу автоматической смены инструмента.

Рис. 6. Осциллограмма отклонения ∆Z интерполирующей координаты Z (шпиндельной бабки) от заданного положения в момент посадки инструмента (точка t5): а - при ∆Z=(-10)÷(+10) мкм; б - при ∆Z=(-5)÷(+5) мкм

Помимо интенсивного износа конуса оправки инструмента, конуса Морзе шпинделя и элементов U-образного захвата руки, упомянутые возмущения создают дополнительные механические нагрузки на узлы станка, которые, в конечном счете, приводят к ослаблению креплений деталей и, как следствие, снижают эксплуатационную надежность и точность станка.

Значительного снижения возмущающих колебаний от устройства автоматической смены инструмента можно достичь (см. рис. 5), если захват инструментов (точка t1), выем инструментов (точка t4), посадку инструментов (точка t5) и сход руки с инструментов (точка t8) осуществляют на пониженной частоте вращения электродвигателя МСИ. Причем важно обеспечить условия, при которых время, затраченное на смену инструмента, увеличится незначительно.

Вышеуказанный способ реализуют с помощью специально разработанной автоматизированной системы управления механизмом смены инструмента (АСУ МСИ), структурная схема которой показана на рис. 7.

Рис. 7. Структурная схема автоматической смены инструмента: ББД - блок бесконтактных (индуктивных) датчиков: ЧП - частотный преобразователь, АД - асинхронный электродвигатель, МСИ - механизм смены инструмента; УЧПУ - устройство числового программного управления

Механизм автоматической смены инструмента включает в себя собственно механизм смены инструмента (МСИ), приводимого в движение асинхронным электродвигателем АД; ББД - блок бесконтактных индуктивных датчиков; ЧП PLC частотный преобразователь со встроенным программируемым контроллером.

ББД формирует информацию о положении руки в виде логических сигналов управления: «исходное положение руки», «позиционирование руки»; «замедление/захват»; «ускорение/выем инструмента», «замедление/посадка» и «ускорение/сход». УЧПУ, анализируя логические сигналы, управляет работой ЧП PLC. Диаграмму разгона/торможения, текущую скорость определяют с помощью специально разработанного программно-математического обеспечения, которое загружено в EEPROM программируемого контроллера ЧП PLC.

Процесс плавного разгона/торможения АД показан (см. рис. 5) пунктирными линиями. Так, после получения сигнала «замедление/захват» (точкa t11), начинается плавное торможение АД с последующим переходом на пониженную скорость (интервал t11-t1). В точке t1 происходит захват сменяемого и сменяющего инструментов, появится сигнал «позиционирование руки» и АД останавливается. После процедуры отжима инструментов (интервал t2-t3) АД вновь запускается (точка t3), но с пониженной скоростью. Как только закончится этап выема инструментов и будет подан сигнал «ускорение/выем инструмента» (точка t4), ЧП PLC начнет плавный разгон АД до номинальной скорости. Сигнал «замедление/посадка» (точка t44) свидетельствует о полном развороте руки на 180° и ее подходе к зоне посадки инструментов. По указанному сигналу осуществляется плавный переход скорости вращения АД с номинальной на пониженную, затем следует посадка инструментов (точка t5) последующее торможение АД. Интервал t6-t7, соответствует процедуре зажима инструмента в шпинделе. После подтверждения зажима инструмента (точка t7) АД запускается с пониженной скоростью. В точке t8, U-образный захват руки сходит с инструмента, появляется сигнал «ускорение/сход», на основании которого АД плавно разгоняется до номинальной скорости. Когда получен сигнал «исходное положение руки» (точка t9) АД тормозится, цикл автоматической смены инструмент завершается.

Эффективность системы иллюстрирует осциллограмма отклонения интерполирующей координаты Z (шпиндельной бабки) от заданного положения в момент времени t5, соответствующий посадке инструмента (рис. 6, 6).

В результате проведенных исследований разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий выбрать диаграммы разгона и торможения по осям X, Y, Z, которые обеспечивают:

  • шероховатость не ниже 0,32 мкм;
  • снижение уровня шума при автоматической смене инструмента;
  • повышение срока эксплуатации станка по точности на 10 %.