Microsoft Word - aumon-instrukcja KOP.doc

str. 1

AUTOMATYCZNE MONITOROWANIE I NADZÓR WYTWARZANIA

LABORATORIUM

ĆWICZENIE: KOP

AUTOMATYCZNY POMIAR I KOREKCJA

ODCHYŁEK PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA

TOKARCE NC

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.

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.

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

– wartość współrzędnej „X” określająca wielkość przygotówki

Przykładowy podprogram opisujący nominalny kształt wałka:

N10 G90 G01 Xx

Z0.5<

N20 Z-100.5<

N30 Xx

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

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

R-5

, x

R-15

, ....., x

R-85

, x

R-95

)

– wymagana korekcja w punkcie „Z”

= x

– x

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

= x

– dx

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

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.