04 марта 2016г.
В современном машиностроении остро стоит вопрос повышения и контроля точности станочного оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ). Пространственная точность позиционирования станков складывается из многих факторов, таких как точность позиционирования, прямолинейность, взаимна перпендикулярность перемещения основных подвижных узлов станка, постоянство углового положения и др. Всего число таких параметров, нуждающихся в контроле, для трѐхкоординатных станков с ЧПУ достигает 27 штук.
В целом, процедуры проверки точности станков описываются в стандартах и методиках контроля (ГОСТ Р ИСО 230-1-2010, ГОСТ 27843-2006 и др.) [1, 2], однако число проводимых операций и используемой номенклатуры средств измерений для этих задач весьма велико. Например, контроль трѐхкоординатного фрезерного станка по параметрам геометрической точности согласно ГОСТ Р ИСО 230-1-2010 [1] требует наличия не менее пяти различных средств измерений, не считая специализированной оснастки, оснащение которой в случае крупногабаритной зоны обработки может быть весьма затратным. Кроме того, сам процесс контроля точности может занимать целый рабочий день, принося, таким образом, существенный убыток ввиду простоя производства на контролируемом оборудовании.
Зарубежными фирмами давно реализованы измерительные системы, позволяющие существенно упростить трудоѐмкий процесс контроля точности станочного крупногабаритного оборудования [3]. Так, компания Renishaw предлагает комплект специализированной оснастки к лазерной интерференционной измерительной системе XL-80 (Рисунок 1). Интерференционные измерительные системы (ИС), применяемые для измерения линейных и угловых перемещений в машино- и приборостроении, научных исследованиях и разнообразных областях техники, основаны на явлении интерференции или наложения когерентных световых волн. Световые волны представляют собой гармонические электромагнитные колебания, несущие информацию о геометрических свойствах контролируемых объектов в различных своих параметрах: интенсивности; амплитуде; фазе; поляризации. Особенностью ИС является образование пространственных оптических периодических структур, положение которых зависит от разности фаз интерферирующих световых волн.
Интерференционный метод является
при этом наиболее
точным (погрешность измерений колеблется в пределах от единиц нанометра до долей микрометра) и практически не ограничен по длине измерений
(в вакууме подобные измерения было бы возможно проводить на неограниченном расстоянии, хотя реальные колебания температуры
воздуха, скорости его потока, плотности и концентрации пыли являются источником существенных труднокомпенсируемых погрешностей). Однако интерференционные измерения
обладают ограничением по направлению распространения луча, регулируемого лишь статической оптикой,
в связи с чем для измерения точности позиционирования, отклонения от прямолинейности и отклонения от перпендикулярности перемещения подвижных элементов станка необходимо каждый раз заново выставлять специализированную оснастку для каждого параметра
каждой оси.
Решить проблему унификации измерений способен другой
класс оборудования – следящие лазерные трекеры, которые помимо лазерного интерферометра содержат в своей
измерительной головке сервоприводы, угломерные устройства, поворотное зеркало, и имеют две ортогональные оси вращения.
Точка пересечения осей вращения локализуется в точке на отражающей поверхности поворотного зеркала.
Вращение вокруг осей осуществляется с помощью двигателей
постоянного тока, каждая ось снабжена угломерным кодирующим устройством
(энкодером) [4]. Сам прибор оснащѐн системой
автоматического слежения за перемещением отражателя. Такое
средство измерений
способно снимать точки уже не по одной оси, а в трѐхмерном пространстве, запоминая
координаты относительного расположения точек в своей сферической системе координат, которые могут быть легко пересчитаны при необходимости в декартовые системы координат станочного трѐхосевого оборудования по формулам:
где x, y, z – координаты в декартово системе,
r – результаты измерений расстояния до объекта
с лазерного интерферометра, θ и φ – значения углов,
полученные с угломерных кодирующих устройств.
В данной работе представлены результаты контроля пространственной точности станка, комплексно включающей в себя погрешности позиционирования, непрямолинейности и взаимной неперпендикулярности перемещения подвижных
элементов станка вдоль
своих направляющих. При необходимости, общая погрешность может быть легко разложена
на составляющие, так как результатом измерений является
координата точки перемещения элементов станка, которые и пересчитываются в дальнейшем в погрешности разного
типа.
Для получения экспериментальных данных было использовано следующее оборудование:
1) Следящий лазерный трекер Leica Tracker LTD800 с диапазоном измерений
радиусом от 0,5 до 40 м и погрешностью (10+L/500) мкм, где L - значение измеренного расстояния в мм (Рисунок 2).
2) Фрезерный обрабатывающий центр с ЧПУ VDL-600SL с диапазоном перемещений 600х450х540 мм, частотой вращения
шпинделя до 5000 об/мин и заявленной точностью
позиционирования 0,05 мм.
В ходе эксперимента были проведены автоматические измерения позиционирования невращающегося шпинделя станка с закреплѐнным в нѐм отражателем. Измерения проводились в поле перемещений станка 450х450х450 мм с шагом
150 мм в 64 точках диапазона возможных перемещений. В дальнейшем для всех измеренных точек для удобства отображения результатов измерений были вычислены абсолютные
погрешности позиционирования в зависимости от расстояния в трѐхмерном пространстве относительно начала измерений. Здесь за номинальное значение бралось то расстояние от начала координат, которое было задано в системе ЧПУ, а за действительное – значение
координат, полученное с лазерного трекера.
Результаты измерений
представлены на Рисунке
3 на графике 1.
Из полученного графика погрешностей очевидно,
что с расстоянием растѐт не только
абсолютная погрешность позиционирования, но и величина разброса
результатов измерений. Последнее
связано в том числе и с ростом погрешности лазерного трекера при увеличении расстояния по формуле:
Δтрекер=(10+L/500) мкм, (2)
где L - значение измеренного расстояния в мм.
По результатам измерений
возможно вывести аналогичную
формулу для погрешности станка VDL-600SL, находимую
по методу наименьших квадратов
как функцию линеаризации полученного графика:
Δстанок=(13,5+L/7,675) мкм, (3)
где L - значение
измеренного расстояния в мм.
Суммарная линейная функция предельно
допустимой погрешности станка с учѐтом погрешности средства измерения также приведена на рис. 3 и имеет вид:
Δобщ=(23,5+L/7,559) мкм, (4)
где L - значение измеренного расстояния в мм.
Из приведѐнных выше функций (2) и (3) можно вывести
ожидаемую погрешность для каждой точки позиционирования станка. В частности,
максимальная погрешность станка на диапазоне
перемещений 600х450х540 мм составит 0,134 мм, а максимальная погрешность измерений на этой же длине не будет превышать 0,012 мм.
На основании
результатов экспериментов можно сделать вывод о несоответствии заявленных
точностных технических характеристик станка реальным.
При этом на основании
полученных позиционных точек можно в дальнейшем проводить
дополнительный анализ на составные элементы абсолютной погрешности позиционирования, например, по линейным
погрешностям позиционирования на
каждой отдельной оси, по прямолинейности перемещений по каждой отдельной
оси, по взаимной перпендикулярности осей и др. При этом данный анализ можно производить дистанционно и автоматизировано без занятия машинного
времени станка и трекера. Это способствует существенному сокращению временных и ресурсных затрат
на процедуру контроля точности станка. Так, весь вышеописанный эксперимент по снятию точек позиционирования занял менее часа с учѐтом установки
и необходимого прогрева
лазерного трекера, установки всей необходимой оснастки
и отражателя, а также написания необходимых управляющих программ для трекера
и системы ЧПУ станка. Аналогичные по
объѐму
получаемой информации операции
с
применением интерференционной системы Renishaw XL-80 заняли бы 6-8 часов и потребовали бы существенно более высокого
уровня компетенции от оператора измерительной установки в виду более сложных методов настройки оптических систем данного средства измерений.
Список литературы
1.
ГОСТ Р ИСО 230-1-2010. Испытания станков.
Часть 1. Методы измерения геометрических параметров.
2. ГОСТ 27843-2006. Испытания станков.
Определение точности и повторяемости позиционирования осей с числовым программным управлением.
3.
Гужов В.И., Ильиных С.П. Компьютерная интерферометрия, М., Издательство НГТУ, 2005 г. – 252 с.
4.
David G. Martin. High Precision Angle Calibration for Spherical
Measurement Systems. University
of Warwick, 2009. – 278 p.
