AUTOMATYCZNE MONITOROWANIE I NADZÓR WYTWARZANIA
LABORATORIUM
ĆWICZENIE: KOP
AUTOMATYCZNY POMIAR I KOREKCJA
ODCHYA
EK 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 sÄ… 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. 1
Zadania operatora obrabiarki sterowanej numerycznie obejmujÄ…:
" 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. 2
 Z punktu widzenia dokładności obróbki najlepszy jest pomiar bezpośredni, ale jest
stosunkowo drogi w realizacji i z tego powodu stosuje siÄ™ 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 z
ródeł ciepła w obrabiarce należą:
" A
ożyska, zwłaszcza wrzeciona
" Olej w układzie hydraulicznym i układzie smarowania
" Przekładnie, sprzęgła cierne i hamulce
" Silniki elektryczne
" Zespoły prowadnicowe, przekładnie śrubowe
" Proces skrawania
Wielość z
ródeł 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 z
ródeł 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. 3
 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
smarujÄ…cego  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 zmianÄ™ 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. 4
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 wzdÅ‚użnym, na którym umieszczony jest pod kÄ…tem 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 gniez
dzie 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. 5
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 sondÄ… dotykowÄ… 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 gniez
dzie 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. 6
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. 7
 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.
xN  nominalna (żądana) wartość współrzędnej  X przedmiotu obrabianego
xP  wartość współrzędnej  X określająca wielkość przygotówki
Przykładowy podprogram opisujący nominalny kształt wałka:
N10 G90 G01 XxN Z0.5<
N20 Z-100.5<
N30 XxP 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. 8
xRZ  rzeczywista zmierzona wartość  X w punkcie  Z
(xR-5, xR-15, ....., xR-85, xR-95)
dxKZ  wymagana korekcja w punkcie  Z
dxKZ = xRZ  xN
XKZ  wartość skorygowana współrzędnej w punkcie  Z (-5, -15, ....., -85, -95)
xKZ = xN  dxKZ
Należy wprowadzić do układu sterowania podprogram opisujący skorygowany kształt
przedmiotu i przeprowadzić powtórną obróbkę.
Podprogram opisujący skorygowany kształt przedmiotu:
N10 G90 G01 XxK-5 Z0.5<
N20 XxK-5 Z-5<
N30 XxK-15 Z-15<
.
.
.
N100 XxK-95 Z-95<
N110 XxK-95 Z-100.5<
N120XxP 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.
str. 9