str. 1

AUTOMATYCZNE MONITOROWANIE I NADZÓR WYTWARZANIA

LABORATORIUM

ĆWICZENIE: KOP

AUTOMATYCZNY POMIAR I KOREKCJA

ODCHYŁEK PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA

TOKARCE NC

1

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z metodyką oceny dokładności obróbki na

obrabiarce sterowanej numerycznie z możliwością korekcji odchyłek między rzeczywistymi i
nominalnymi wymiarami obrobionego przedmiotu. Studenci przystępujący do ćwiczenia
powinni wykazać się znajomości/ą podstaw programowania obrabiarek sterowanych
numerycznie. W trakcie ćwiczenia dokonuje się obróbki przedmiotu typu wałek,
przeprowadza się wstępny pomiar obrobionej średnicy, wprowadza się do programu obróbki
kompensację odchyłek wymiarowych, powtórnie obrabia się przedmiot I mierzy średnicę w
celu oceny wyników wprowadzonej korekcji.

2

PODSTAWY TEORETYCZNE

Cały program pracy obrabiarki sterowanej numerycznie, w tym program procesu obróbki

przedmiotu, jest przygotowywany albo poza obrabiarką i zapisany za pomocą określonego
kodu alfanumerycznego na przyjętym nośniku programu, albo wprowadzany jest
bezpośrednio (z pulpitu operatorsko- sterowniczego) przy obrabiarce do pamięci układu NC.

Program sterowania, zwany programem operacji technologicznej (POT), składa się z

pewnej liczby bloków zawierających dane podstawowe (zapis kształtu przedmiotu
obrabianego, parametry skrawania, informacje o pracującym narzędziu, itp.) i informacje
pomocnicze (np. nazwa programu, komentarze). Bloki danych są zbiorem informacji
czytanych przez układ sterujący, nakazujących wykonanie przez obrabiarkę sekwencji ściśle
określonych przemieszczeń narzędzia w stosunku do obrabianego przedmiotu, a także wielu
innych czynności maszyny wymaganych przez technologa lub operatora obrabiarki.
Wszystkie znaki tekstu programu powinny być zapisane w kodzie ISO, stanowi o tym polska
norma PN-70/M-55250.

str. 2

Zadania operatora obrabiarki sterowanej numerycznie obejmują:

• wprowadzenie programu do pamięci układu sterowania obrabiarki

• zamocowanie przedmiotu obrabianego i narzędzi, jeżeli czynności te nie są

zautomatyzowane i wykonywane przez odpowiednie podajniki (jak np. w centrach
obróbkowych)

• uruchomienie programu

• pomiar obrobionego przedmiotu i ocenę wyników

• w zależności od wyników pomiarów zdjęcie obrobionego przedmiotu lub

wprowadzenie korekcji wymiarów i powtórną obróbkę (pod warunkiem, że obrobiona
średnica jest większa od średnicy nominalnej)

•

Dokładność obróbki

W czasie realizacji przez obrabiarkę programu obróbki operator obrabiarki nie ma

wpływu na dokładność obróbki. Korekcję określonych wymiarów przedmiotu obrabianego w
programie sterowania obrabiarki można wprowadzić dopiero po obróbce, pomiarze i ocenie
wykonanego przedmiotu.

Dokładność

wymiarowa wykonanego przedmiotu na obrabiarce sterowanej

numerycznie zależy więc od dokładności samej obrabiarki oraz błędów wynikających z
procesu skrawania (odkształcenia termiczne, odkształcenia sprężyste spowodowane
występowaniem sił skrawania)

Na dokładność (a ściśle na niedokładność) obrabiarki składają się w końcowym wyniku
następujące cechy:

• dokładność geometryczna, a więc np. Odchyłki prostoliniowości, równoległości I

prostopadłości prowadnic, po których przemieszczają się zespoły robocze.
Dokładność geometryczna obrabiarki ma decydujący wpływ na kształt geometryczny
obrobionego przedmiotu.

• dokładność kinematyczna, a więc poprawność wzajemnego powiązania

poszczególnych ruchów zespołów roboczych, wynikająca z błędów wykonania i
montażu elementów w układzie napędowym, jak np. Błąd skoku śruby pociągowej,
luz pomiędzy śrubą pociągową i nakrętką, luz w prowadnicach.

• dokładność sterowania, tj. Poprawność realizowania przez obrabiarkę programu

obróbki. Wpływ na błędy sterowania mają zjawiska dynamiczne, sztywność
serwonapędów odpowiedzialnych za przemieszczanie zespołów roboczych, oraz
prawidłowe zestrojenie osi sterowanych w obrabiarce.

• dokładność pomiarowa, tj. ewentualne błędy wzorca pomiarowego, wartość działki

elementarnej, czułość układu pomiarowego, itp.

Pomiar położenia zespołu roboczego obrabiarki może być realizowany w sposób:

• Bezpośredni z wykorzystaniem liniału pomiarowego (np. optycznego)

• Pośrednio z wykorzystaniem przekładni napędowej

• Pośrednio poprzez dodatkową przekładnię odciążoną

str. 3

Z punktu widzenia dokładności obróbki najlepszy jest pomiar bezpośredni, ale jest

stosunkowo drogi w realizacji i z tego powodu stosuje się go w precyzyjnych obrabiarkach.
Pomiar pośredni z wykorzystaniem przekładni napędowej jest najmniej dokładny, ponieważ
nie uwzględnia odkształceń i luzów występujących w układzie napędowym obrabiarki, ale
jest najtańszy w realizacji. Układ z dodatkową przekładnią odciążoną (rzadko stosowany -
najczęściej w ciężkich obrabiarkach - ze względu na trudności w jego realizacji i koszty
wykonania) jest zdecydowanie dokładniejszy od układu wykorzystującego przekładnię
napędową. Dodatkowe błędy pomiaru, w porównaniu z pomiarem bezpośrednim, mogą
wynikać w tym przypadku z niedokładności przełożenia dodatkowej przekładni pomiarowej.

Urządzenia które realizują pomiary pośrednie to np. selsyn lub przetwornik obrotowo-
impulsowy.

Istotny wpływ na dokładność obrobionego przedmiotu mają czynniki wywołane samym

procesem skrawania, jak np. odkształcenia cieplne i sprężyste niektórych elementów w
łańcuchu kinematycznym kształtowania, zmianą współczynnika tarcia na powierzchniach, po
których przemieszczają się obciążone siłami skrawania zespoły robocze i inne.

Odkształcenia cieplne zespołów obrabiarek są wywoływane rozszerzalnością cieplną

materiałów konstrukcyjnych poddanych oddziaływaniu zmieniających się I zróżnicowanych
temperatur.

Do najważniejszych źródeł ciepła w obrabiarce należą:

• Łożyska, zwłaszcza wrzeciona

• Olej w układzie hydraulicznym i układzie smarowania

• Przekładnie, sprzęgła cierne i hamulce

• Silniki elektryczne

• Zespoły prowadnicowe, przekładnie śrubowe

• Proces skrawania

Wielość źródeł ciepła i skomplikowany i mechanizm jego przekazywania powodują ,

że analityczne określenie temperatury poszczególnych elementów obrabiarki jest praktycznie
niemożliwe. Szeroko natomiast są stosowane doświadczalne metody określania pól
temperatur w obrabiarkach i wyznaczania odkształceń cieplnych. Jednak te metody są
skomplikowane i pracochłonne, a uzyskane wyniki mają przybliżony charakter. Pod
wpływem oddziaływania źródeł ciepła występują zmiany temperatur zespołów obrabiarki,
które powodują odkształcenia elementów składowych. Odkształcenia cieplne odwzorowują
się na przedmiocie obrabianym w postaci błędów wymiarowych i błędów kształtu.

Odkształcenia sprężyste zespołów obrabiarek są wynikiem odkształceń własnych

składowych elementów i odkształceń w połączeniach, spowodowanych oddziaływaniem na te
zespoły sił skrawania. Duża liczba powierzchni stykowych w obrabiarce poddanych
obciążeniu powoduje, że w ogólnym bilansie odkształceń sprężystych sztywność
powierzchniowa (stykowa) ma znaczenie dominujące. Sztywność powierzchniowa zależy od
wielu czynników, m. In. Od chropowatości i twardości stykających się powierzchni. W
przypadku tokarki, największy wpływ na kształt i wymiary obrabianego przedmiotu ma siła
odporowa, ponieważ pod jej wpływem zmienia się bezpośrednio średnica obrabianego
przedmiotu (promień obrabianego przedmiotu ulega zmianie o wielkość odkształcenia, ale
średnica obrabiana zmienia się o podwojoną wielkość tego odkształcenia).

str. 4

Dodatkowo na dokładność obrobionego przedmiotu może mieć wpływ zmienność

współczynnika tarcia na powierzchniach prowadnicowych, po których przemieszczają się
zespoły robocze, obciążone siłami skrawania. Jest ona wywołana wieloma czynnikami, do
najważniejszych z nich zalicza się:

Zmienność współczynnika tarcia przy przechodzeniu z tarcia spoczynkowego do ruchowego
(zjawisko „stick sleep”)

Zmiana współczynnika tarcia wraz ze zmianą temperatury oleju smarującego,

Zmiana współczynnika tarcia związana z warunkami smarowania (zmienność wydatku układu
smarującego – smarowanie okresowe).

Zmienność współczynnika tarcia powoduje (zwłaszcza przy niskich prędkościach
posuwowych) zmianę płynności ruchu tych zespołów – przesuwają się one skokowo.
Zjawisko to uniemożliwia dokładne pozycjonowanie zespołu roboczego, a tym samym
powoduje zmianę wymiaru obrobionego przedmiotu.

Zadaniem wprowadzanej korekcji wymiarów przedmiotu do układu sterowania

numerycznego jest zminimalizowanie różnic pomiędzy wymiarem nominalnym, a wymiarem
rzeczywistym przedmiotu obrabianego (Rys.1).

Rys.1 Błędy wymiarowo kształtowe obrobionego przedmiotu

3. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO

Tokarka kłowa szkoleniowo-produkcyjna sterowana numerycznie TPS20N (Rys.2)

służy do obróbki przedmiotów tarcza i wałek. Rozwiązania konstrukcyjne obrabiarki oraz
zastosowanie układu sterowania numerycznego umożliwiają wykonanie takich operacji
technologicznych, jak: toczenie, wytaczanie, gwintowanie, toczenie stożków i powierzchni
sferoidalnych, itp.

str. 5

Rys.2 Tokarka TPS20N

Tokarka ma zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu lekkiego, precyzyjnego, w

szkolnictwie oraz w małych zakładach produkcyjnych i jest przeznaczona do produkcji
jednostkowej lub seryjnej przedmiotów wykonanych ze stali, żeliwa i metali kolorowych,
przy zastosowaniu narzędzi z wymiennymi płytkami ze spieków metali i spieków
ceramicznych.

Obrabiarka zbudowana jest na łożu o zamkniętym przekroju prostokątnym z poziomym

suportem wzdłużnym, na którym umieszczony jest pod kątem 30° do poziomu suport
poprzeczny z ośmiopozycyjną głowicą narzędziową. Obrót i zaciskanie tarczy głowicy
narzędziowej realizowane są za pomocą silnika elektrycznego. Tarcza narzędziowa obraca się
tylko w jednym kierunku, bezpośrednio na zadaną pozycję. Dokładne pozycjonowanie tarczy
narzędziowej zapewnia sprzęgło Hirth’a. Tarcza narzędziowa wyposażona jest w system
mocowania oprawek narzędziowych typu VDI, umożliwiających mocowanie noży tokarskich
do toczenia zewnętrznego i wewnętrznego.

W jednym gnieździe tarczy narzędziowej zamiast noża tokarskiego zamocowana jest

sonda dotykowa f-my Renishaw. Służy ona do pomiaru wymiarów obrobionego przedmiotu
Podczas pomiaru sondą dotykową wykorzystywany jest układ pomiaru położenia suportów
tokarki. Układ sterowania oczekuje na sygnał z sondy pomiarowej, sygnał ten drogą
przewodową (Rys. 3), poprzez wejście cyfrowe, dołączony jest do linii przerwania procesora
układu NC. W przypadku najazdu końcówki pomiarowej sondy na mierzony przedmiot
rozwierają się styki elektryczne, a z chwilą ich rozwarcia zapamiętane są współrzędne
maszynowe obrabiarki (osie „X” i „Z”), informujące o położeniu suportów tokarki w danej
chwili. Do sterowania cyklem pracy sondy wykorzystano dwie funkcje G48 i G49. Funkcja
G48 umożliwia ruch sondy w kierunku mierzonego przedmiotu, a funkcja G49 odjazd sondy
od przedmiotu.

Rys.3 Połączenie sondy z układem sterowania numerycznego

str. 6

Tokarka TPS20N wyposażona jest w układ sterowania numerycznego PRONUM630T,
wykonany zgodnie z obowiązującymi i przyjętymi standardami i normami, polskimi (PN) i
międzynarodowymi (ISO). Umożliwia on obsługę interfejsu sondy pomiarowej, zbieranie i
rejestrowanie wyników pomiarów.

4. WYKONANIE ĆWICZENIA

Analiza pracy układów stosowanych w autonomicznych stacjach obróbkowych do

podwyższenia dokładności obróbki tokarskiej doprowadziła do powstania koncepcji
kompensacji odchyłek wymiarowych na tokarce NC przy użyciu sondy (dotykowej)
przedmiotowej. Przykładowe pomiary obrobionego detalu na tokarce (Rys. 4).

Rys.4 Pomiary obrobionego detalu sondą dotykową na tokarce

Nowością w stosunku do tradycyjnej metody wprowadzania korekcji (obliczana była

jedna korekcja dla całej powierzchni obrabianej, a trajektoria narzędzia była linią prostą –
przy obróbce powierzchni walcowych) jest to, że korekcja obliczana jest dla każdego punktu
w którym odbywa się pomiar, a trajektoria narzędzia jest linią łamaną łączącą punkty
korekcyjne.

Sonda przedmiotowa mocowana w gnieździe tarczy narzędziowej wykorzystywana jest

do pomiaru średnic. Czujnik pomiarowy jest umieszczony w specjalnej oprawce nożowej
(Rys.5) i mocowany w tarczy narzędziowej. Dojazd tak uzbrojonym „narzędziem” do znanej
powierzchni bazowej pozwala na określenie współrzędnych końcówki sondy pomiarowej w
przestrzeni roboczej obrabiarki, a dojazd do powierzchni obrobionego przedmiotu pozwala na
określenie wymiaru obrobionej średnicy.

str. 7

Rys.5 Oprawka sondy dotykowej

Zakres ćwiczenia obejmuje obróbkę wałka, automatyczny pomiar obrobionego

przedmiotu z wykorzystaniem sondy pomiarowej, obliczenie i wprowadzenie korekcji
wymiarowej. A następnie powtórną obróbkę przedmiotu, powtórny pomiar i ocenę
otrzymanych wyników.

Cykl pracy układu z sondą pomiarową obejmuje:

• Obróbkę zgrubną przedmiotu (pozostawiony naddatek około 0.4 mm na średnicy –

Rys.6)

• Wstępną obróbkę przedmiotu (na średnicę większą o około 0.2mm od nominalnej)

• Automatyczny pomiar obrobionego przedmiotu (Rys.7)

• Określenie niezbędnych korekcji i wygenerowanie programu korekcyjnego

• Obróbkę z wykorzystaniem programu korekcyjnego

• Powtórny pomiar przedmiotu

• Ocenę wyników (efektywności) wprowadzonej korekcji

Rys.6 Podział naddatku

str. 8

W trakcie ćwiczenia wykorzystywane są dwa programy: program obróbki (program

toczenia warstwowego) wałka i program pomiarowy obsługujący sondę dotykową.

Program obróbki zapewnia prawidłową obróbkę zarówno wymiarów nominalnych jak też
wymiarów skorygowanych. Wymaga on wprowadzenia do pamięci USN opisu kształtu
przedmiotu obrabianego w formie podprogramu. Zadaniem programu pomiarowego jest
obsługa sondy dotykowej, generowanie komend przemieszczeń, określenie wartości
mierzonych średnic i wielkości korekcji. Program pomiarowy generuje wyniki pomiarów w
postaci podprogramu.

x

N

– nominalna (żądana) wartość współrzędnej „X” przedmiotu obrabianego

x

P

– wartość współrzędnej „X” określająca wielkość przygotówki

Przykładowy podprogram opisujący nominalny kształt wałka:

N10 G90 G01 Xx

N

Z0.5<

N20 Z-100.5<

N30 Xx

P

Z-100.5<

N40 M17<

Po przeprowadzonej obróbce z wykorzystaniem podprogramu opisującego nominalny kształt
wałka

otrzymuje

się

przedmiot

rzeczywisty

obarczony

błędami

wymiarowymi.

Wykorzystując program pomiarowy należy zmierzyć otrzymany wałek w wybranych
punktach pomiarowych, a następnie obliczyć korekcje w tych punktach.

Rys.7 Wałek testowy

Rys.7 przedstawia przykładowy wałek testowy z naniesionymi punktami pomiarowymi.

Punkty pomiarowe są rozmieszczone co 10mm od współrzędnej Z-5 do współrzędnej Z-95.

str. 9

x

RZ

– rzeczywista zmierzona wartość „X” w punkcie „Z”

(x

R-5

, x

R-15

, ....., x

R-85

, x

R-95

)

dx

KZ

– wymagana korekcja w punkcie „Z”

dx

KZ

= x

RZ

– x

N

X

KZ

– wartość skorygowana współrzędnej w punkcie „Z” (-5, -15, ....., -85, -95)

x

KZ

= x

N

– dx

KZ

Należy wprowadzić do układu sterowania podprogram opisujący skorygowany kształt
przedmiotu i przeprowadzić powtórną obróbkę.

Podprogram opisujący skorygowany kształt przedmiotu:

N10 G90 G01 Xx

K-5

Z0.5<

N20 Xx

K-5

Z-5<

N30 Xx

K-15

Z-15<

.

.

.

N100 Xx

K-95

Z-95<

N110 Xx

K-95

Z-100.5<

N120Xx

P

Z-100.5<

N130 M17<

Po zakończonej obróbce dokonuje się powtórnego pomiaru przedmiotu i przeprowadza

analizę otrzymanych wyników. Należy sporządzić wykres błędów obróbkowych dla
przedmiotu obrobionego bez korekcji i z korekcją, oraz zinterpretować otrzymane wyniki.