Комплекс диагностики отклонений круговых траекторий станков с числовым программным управлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.9-05.621.7-187

Омский государственный технический университет

КОМПЛЕКС ДИАГНОСТИКИ ОТКЛОНЕНИЙ КРУГОВЫХ ТРАЕКТОРИЙ СТАНКОВ С ЧПУ

Д.А. Блохин

А.Г. Кольцов

Современное производство предъявляет все более жесткие требования к точности изготовления деталей. В связи с этим особое внимание уделяется точности оборудования, на котором оно изготавливается и контролируется, т.к. точность изготовления деталей в первую очередь зависит от точности станка [1]. Используемые методы проверки точности станков с ЧПУ по ГОСТ 22267-76 [2] являются очень трудоемкими, осуществляются в статическом состоянии и требуют большое количество измерительных средств и затрат времени.

Очень часто необходимо было изготавливать контрольную деталь, оценивать ее точность в измерительной лаборатории и получать представления о точностных характеристиках станка [3,4]. Это приводит к потере времени на производстве и соответственно к потере потенциальной прибыли. На многих предприятиях, несмотря на государственные стандарты, периодическим профилактическим проверкам уделяется малое внимание из соображений экономии производственного времени, упуская из виду экономическую выгоду стратегии ремонта станков по фактическому состоянию. На этих предприятиях с неоптимальной системой технического обслуживания и ремонта проверка точности проводилась только тогда, когда дальнейшая работа на оборудовании становилась невозможной из-за большого количества брака производимого на этих станках.

Поскольку тенденции машиностроения ведут к дальнейшему уменьшению допусков на точность размеров, формы, взаимного расположения, увеличению количества номенклатуры деталей с большим количеством разнообразных элементов, зачастую сложных для механической обработки резанием. К типичным современным деталям можно отнести шнеки с переменным шагом, различные лопасти и лопатки. Необходим регулярный периодический контроль точности позиционирования оборудования и многих сопутствующих точностных параметров станка. Средство контроля должно иметь точность измерения выше 1 мкм, поскольку многие современные детали уже на этапе механической лезвийной обработки имеют сопоставимые значения допусков размеров: 1…15 мкм.

Решением этой проблемы становится контроль динамической точности станка по недавно принятому стандарту ГОСТ ISO 230-4-2015 [5] «Методика испытаний металлорежущих станков. Испытания на отклонения круговых траекторий для станков с числовым программным управлением» и ГОСТ 30544-97 [6] «Станки металлорежущие. Методы проверки точности и постоянства отработки круговой траектории».

II. Постановка задачи

Задача исследования - оценить возможность применения современных приборов для измерения точности прохождения круговой траектории согласно ГОСТ ISO 230-4-2015, вступившему в силу 1 января 2017 года.

III. Теория

ГОСТ 30544-97 «Станки металлорежущие. Методы проверки точности и постоянства отработки круговой траектории» нормирует понятие круговой профилограммы как результата измерения постоянства обработки круговой траектории. Также в стандарте представлено три метода построения этих профилограмм.

Рис.1. Типы проверки постоянства прохождения круговой траектории

На рис. 1.а. представлен метод проверки с помощью однокоординатной измерительной головки, где 1 - однокоординатная измерительная головка, 2 - специальное поворотное устройство, 3 - контрольная оправка, являющаяся эталоном круглости. На рис. 1.б. - проверка с помощью двухкоординатной измерительной головки, где 1 - двухкоординатная измерительная головка, 2 - эталон круглости.

На рис. 2 представлен наиболее перспективный метод оценки точности круговой интерполяции станка с ЧПУ, где 1 - телескопическая оправка со сферическими шарнирными опорами, 2 - держатели, 3 - преобразователь перемещения.

Эту методику можно считать предпочтительной, поскольку использование эталонов круглости сведено к минимуму, что значительно повышает достоверность и повторяемость измерений. Эта схема положена в основу большинства современных методов оценки точности исполнения круговой траектории.

Рис.2. Проверка постоянства прохождения круговой траектории методом телескопической оправки со сферическими шарнирами

Для измерения точности прохождения круговой траектории многокоординатных станков с ЧПУ фирмой RENISHAW разработана система Ballbar QC20-W [7] и соответствующее программное обеспечение для диагностики технического состояния узлов станка.

При диагностировании станка производится контроль точности перемещения исполнительного органа станка по окружности. Это позволяет получить информацию о динамической точности станка. Время на проведение диагностики составляет 5…15 мин., в зависимости от заданной скорости перемещения. Время подготовки и проведения теста может варьироваться от необходимости в исследовании оборудования от 30 минут до 2 часов.

На рис. 3 представлена система QC20-W, установленная на станок. Основной частью QC20-W является линейный датчик с длиной контролируемого перемещения ±1 мм и разрешением 0,1 мкм. Датчик устанавливается на магнитных держателях, которые кинематически связаны с перемещающимися шпинделем и столом станка. Встроенной программное обеспечение позволяет не осуществлять долгую ручную привязку системы координат - по результатам измерений система сама определит центр траектории по параметрам реверса круговых перемещений и люфтов осей.

Рис.3. Прибор Renishaw BallBar QC-20W

Объектом исследования является трехкоординатный фрезерный обрабатывающий центр ФП-7 установленный в цеховом помещении. Внешний вид станка - удовлетворительный, видимых повреждений нет. Основные узлы и агрегаты станка, указанные в паспорте станка, в комплекте. Станок установлен на бетонном фундаменте. Необходимость измерения обусловлена окончанием капитального ремонта станка и целью определения технического состояния и возможности обработки деталей с требуемой степенью точности. Оценка точности и постоянства прохождения исполнительным органом станка круговой траектории станка проводится при наиболее сложном кинематическом режиме работы станка, при интерполяции окружности без нагрузки, это позволяет определить наиболее важные точностные параметры станка.

Диагностика проводится в двух плоскостях XY на угол 360° и ZX на угол 220° по методике RENISHAW. Результаты диагностики представлены в виде графиков отклонений от круглости в плоскости XY, в плоскости ZX, а также в виде диагностических таблиц, в которых предоставлены показатели с указанием вклада в полученную некруглость конкретных ошибок станка и указанием рейтинга их значимости. Анализ результатов диагностики может производиться с помощью таблиц быстрого поиска (интерпретация ошибок), которые включают подробное описание причин отклонения от круглости, информацию о том, как эти причины связаны с работой станка, а также рекомендации по устранению дефектов [8].

В ходе работ по измерению геометрической точности была проведена серия Ballbar тестов (тестов на отклонение от круговой траектории) в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (XOY, ZOX, ZOY), причем в плоскости XOY в разных концах стола станка ФП-7. Для тестирования зависимости ошибок станка от места измерения были выбраны семь положений центра окружности в плоскости XOY.

В плоскости ZOY и ZOX сделано одно измерение в каждом сечении (тест на 220 градусов).

Отклонение от окружности определяется как разность между наибольшим и наименьшим радиусами, зафиксированными датчиком ballbar при перемещении станка по дуге сбора данных (после того как было учтено любое имевшееся смещение центра). Чем больше величина отклонения от окружности, тем ниже характеристики станка.

Величина допуска на позиционирование (ошибка позиционирования) представляет собой оценку точности позиционирования станка в плоскости по двум осям, в пределах участка, охватываемого ballbar-тестом в отсутствие нагрузки. Эта величина может быть непосредственно сопоставлена с допуском на точность позиционирования, указанным в технических чертежах и, следовательно, позволяет оценить, можно ли на данном станке обрабатывать детали с допусками, указанными в чертежах. Результирующий допуск на точность позиционирования рассчитывается с учетом влияния таких диагностируемых ошибок:

· Люфт по обеим осям;

· Боковой люфт по обеим осям;

· Циклическая ошибка по обеим осям;

· Отклонение от прямолинейности по обеим осям;

· Рассогласование шкал по обеим осям;

· Отклонение осей от перпендикулярности.

IV. Результаты экспериментов

В ходе анализа полученных круглограмм и данных выявлены 3 наиболее распространенные ошибки станка, наиболее влияющие на его общую точность. Значения этих ошибок, а также основные параметры точности приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1 ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ СТАНКА

Результаты экспериментов по измерению перемещения вдоль круговой дуги 220° в вертикальной плоскости приведены на рис. 4-6.

Рис. 4. Результаты измерения точности круговых перемещений системой BallBar QC-20W

В процессе тестирования в плоскости XOY были выявлены ошибки станка отклонение от перпендикулярности, выбросы обратного хода по обеим горизонтальным осям станка (рис. 5).

Рис. 5. Результаты измерения точности круговых перемещений системой BallBar QC-20W

Система также проводит программный анализ круговой профилограммы средствами встроенного программного обеспечения, оценивая вклад различных первичных отклонений в общий допуск на точность позиционирования и отклонение от круглости. Все эти параметры приводятся в диагностической таблице (рис. 6) и несут огромную информацию для специалистов технической службы предприятия.

Рис. 6. Диагностическая таблица системы BallBar QC-20W

К появлению неточностей формы на деталях приводят две основные ошибки: выбросы обратного хода и отклонение от перпендикулярности, согласно рисункам. Поэтому необходимо уменьшить влияние вышеуказанных ошибок путем настройки станка, корректировки относительного положения узлов станка и выбором оптимальных режимов обработки, на которых указанные погрешности станка будут проявляться минимально. металлорежущий числовой фрезерный станок

Тест был проведен повторно в нескольких точках стола, значения ошибок станка менялись в зависимости от позиции измерения, что говорит о том, что погрешность является локально-переменной. Дальнейшую обработку рекомендуется производить при режимах не превышающих F = 500 мм/мин. Обработка на более высоких величинах подачи возможна после дополнительных работ по корректировке по уменьшению выбросов обратного хода

Люфты по осям вызваны, скорее всего, изношенными шарико-винтовыми парами, а так же изношенными направляющими. В данном случае необходимо проверить или заменить необходимый элемент привода или провести программную числовую компенсацию люфта.

Выводы и заключение

1. Станок ФП-7 имеет отклонение от круглости 27,1 мкм, что соответствует допуску по технической документации в 30 мкм.

2. Прибор Ballbar QC-20W фирмы Renishaw может быть использован для проведения измерений станков с ЧПУ и работ по периодическому обслуживанию современных станков, используемых в основном производстве согласно ГОСТ ISO 230-4-2015.

3. Системой Ballbar QC20-W оценить технологические возможности оборудования с ЧПУ с минимальными временными затратами.

4. Используя систему Ballbar QC20-W можно формировать историю состояния станка, а также контролировать и прогнозировать техническое состояние станка и развитие дефектов.

Список литературы

1. Koltsov, A. G. Influence assessment of metal-cutting equipment geometrical accuracy on OMV-technologies accuracy [Текст] / A. G. Koltsov, D. А. Blokhin, E. V. Krivonos, A. N. Narezhnev // X International IEEE Scientific and Technical Conference “Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines”

2. ГОСТ 22267-76. Станки металлорежущие. Схемы и способы измерений геометрических параметров [Текст]. - Введ. 1988-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1988. - 146 с. : ил.

3. ГОСТ 8-82. Станки металлорежущие. Общие требования к испытаниям на точность [Текст]. - Введ. 1983-01-07. - М. : Изд-во стандартов, 1983. - 14 с. : ил.

4. ГОСТ 25443-82. Станки металлорежущие. Образцы-изделия для проверки точности обработки. Общие технические требования [Текст]: ГОСТ 25443-82 - Введ. 01.07.1983.

5. ГОСТ 30544-97. Станки металлорежущие. Методы проверки точности и постоянства отработки круговой траектории [Текст] - Введ. 2002-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2001. - 9 с. : ил.

6. Блохин, Д. А. Диагностика технического состояния металлорежущих станков с ЧПУ [Текст] / Д. А. Блохин, А. Г. Кольцов, И. А. Васильева // Материалы 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Наука и молодежь в XXI веке», Омск: ОмГТУ. - 2016. - С. 92-97.

Аннотация

Рассмотрен процесс контроля состояния металлорежущего оборудования. В статье описаны некоторые современные методы проверки станков с ЧПУ по параметру точности. Даны обзор методик оценки точности согласно недавно вступившего в силу ГОСТ ISO 230-4-2015. Представлен пример оценки точности круговых траекторий трехкоординатного фрезерного станка с ЧПУ с помощью системы Ballbar QC20-W. Оценены возможности применения данного прибора в отношении новых государственных стандартов. Даны практические рекомендации по применению системы Ballbar QC20-W фирмы RENISHAW.

Ключевые слова - Ballbar QC20-W, точность станков, круговой тест, люфт.

Размещено на Allbest.ru