Коррекция погрешности станков с ЧПУ

Погрешности станков, влияющие на точность работы металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ, можно разделить на две группы:

• а) начальные погрешности станка;
• б) погрешности, возникающие при его эксплуатации.

Начальные погрешности станки с ЧПУ приобретают на этапе разработки их компоновки и конструкции, выбора материалов для деталей станка, а также в процессе их изготовления и сборки (рис. 1).

В процессе эксплуатации станков с ЧПУ возникают дополнительные погрешности от упругих деформаций из-за действий сил резания, от температурных деформаций базовых деталей и узлов станка, а также из-за износа различных сопряжений станка (направляющих, подшипников, передач ходовой винт–гайка и др.). Все указанные погрешности станка могут иметь разные величины, действовать в разных направлениях и поэтому по-разному влиять на выходные параметры точности станка.

Рассмотренные погрешности станков с ЧПУ могут приводить в совокупности к относительным линейным и угловым смещениям рабочих органов станка, несущих режущий инструмент и заготовку.

По своей природе возникающие в станке погрешности могут иметь систематический и случайный характер проявления. Систематические погрешности характеризуются их предсказуемостью, постоянством величины и характера их изменения при работе станка. Эти погрешности можно заранее измерить и знать характер их влияния на точность станка. Сложнее обстоит дело со случайными погрешностями, величина и характер проявления которых все время меняются, поэтому для их определения требуется постоянное определение их величины и характера действий на выходные параметры точности станка.

Погрешности станков с ЧПУ в процессе эксплуатации формируются более интенсивно, чем в обычных станках. Это обусловлено более напряженной эксплуатацией этих станков, их более значительной энергоемкостью и большими нагрузками на их узлы.

Рис. 1. Этапы формирования выходных параметров точности станков с ЧПУ

В общем виде можно выделить два различных, но взаимодополняющих направления повышения точности станков с ЧПУ:

• 1) предотвращение или уменьшение возможности возникновения погрешностей;
• 2) коррекция имеющихся и возникающих в процессе эксплуатации погрешностей.

Первое направление уменьшения погрешности станков заключается в целенаправленном и экономически обоснованном воздействии на процесс разработки, изготовления, сборки и эксплуатации станка и системы ЧПУ, а также воздействии на возмущения, действующие на станок с ЧПУ в процессе его эксплуатации (см. рис. 1). Это направление, которое пока является более предпочтительным, заключается в рациональном проектировании компоновки и конструкции всех узлов и механизмов станка, выборе современных материалов, точном изготовлении и сборке узлов станка, выборе современных приводов и измерительных систем, а также в последующей рациональной эксплуатации и техническом обслуживании станка с ЧПУ.

Однако данное направление повышения точности станков с ЧПУ (особенно высокой точности) связано с большими затратами средств и времени. С другой стороны, сопротивляемость станка с ЧПУ, заложенная при его проектировании и изготовлении (жесткость, вибро- и термоустойчивость, износостойкость), действию на него в процессе эксплуатации внутренних и внешних факторов (сил резания, нагрева деталей и узлов, износа сопряжений, старения базовых деталей и др.) имеет определенные границы, в результате чего не гарантируется длительное сохранение начальной точности станка с ЧПУ.

Проведение периодических регулировок сопряжений и узлов станка или внесение необходимых поправок в его работу существующими ранее способами имеет ограниченные возможности и не позволяет полностью корректировать возникающие погрешности выходных параметров станка. С другой стороны, их проведение приводит к длительным простоям дорогостоящего технологического оборудования.

В настоящее время благодаря разработке и внедрению современных микропроцессорных устройств ЧПУ с большим объемом памяти и высоким быстродействием, регулируемых быстродействующих приводов подач рабочих органов станка, механизмов для микроперемещений, различных типов ИП получает все более широкое применение второе направление повышения точности выходных параметров оборудования путем измерения погрешностей станка с ЧПУ и их последующей коррекции. В этом случае производится не максимальная изоляция станка с ЧПУ от действия внутренних и внешних воздействий, не стремление к созданию «идеальных» узлов и механизмов станка, а их взаимодействие с окружающей и рабочей средой, учет переменности условий работы станка с ЧПУ.

Оба рассмотренных пути повышения точности станков с ЧПУ на практике должны дополнять друг друга. Максимально возможное сокращение погрешностей станка с ЧПУ первым путем позволяет затем повысить эффективность второго пути, когда применяются системы коррекции погрешностей станка.

В общем виде возможны два способа коррекции погрешностей станков с ЧПУ и повышения точности их выходных параметров:

• 1) путем абсолютной стабилизации рабочих органов станка, несущих режущий инструмент и заготовку, относительно заданных положений;
• 2) путем относительной стабилизации, когда производится изменение пространственного положения одного из рабочих органов станка относительно другого.

Реализация рассмотренных способов коррекции погрешностей станков с ЧПУ в полной мере с линейными и угловыми смещениями рабочих органов очень сложна и практически пока не применяется. Существующие работы по коррекции погрешностей станков с ЧПУ решают эти задачи частично. В большинстве случаев рассматриваются и применяются способы коррекции погрешностей станков с ЧПУ путем линейных перемещений рабочих органов станка по управляемым координатам (или поворотом управляемого поворотного стола) с использованием существующих на станке точных (с дискретностью 0,001 мм) следящих приводов подач этих рабочих органов. Особую трудность представляет коррекция угловых смещений рабочих органов.

Коррекция погрешностей станка с ЧПУ заключается в том, что в одном или нескольких составляющих блоках осуществляется суммирование первоначально заданной информации о перемещении рабочих органов станка с информацией о его корректируемых погрешностях. Поэтому практически коррекция погрешностей станка с ЧПУ может производиться:

• воздействием на управляющую программу, когда производится ее предыскажение на основе заранее рассчитанной или экспериментально определенной информации о погрешностях. Этот способ в настоящее время применяется редко;
• воздействием на управляющие сигналы, формируемые устройством ЧПУ и передаваемые на приводы подач рабочих органов станка;
• введением в станок с ЧПУ специальных корректирующих элементов или исполнительных устройств с микроприводами и последующим управлением ими от системы ЧПУ.

В последних двух случаях применяется так называемый программный способ коррекции погрешностей, основанный на управлении процессов коррекции по заданной программе с использованием системы ЧПУ.

Коррекция погрешностей станков в зависимости от способа получения информации о них может проводиться (рис 2):

• на основе использования информации о погрешностях станка с ЧПУ, полученной аналитическими расчетами или путем предварительного экспериментального измерения погрешностей станка. Полученная информация о погрешностях может учитываться при составлении УП путем ее предыскажения либо вводиться в память устройства ЧПУ для последующей коррекции управляющих сигналов от устройства ЧПУ на приводы подач станка. Недостатком данного способа коррекции является то, что в этом случае проводится коррекция только систематической составляющей погрешностей станка;
• на основе использования текущей информации о погрешностях станка с ЧПУ, получаемой непрерывно или с определенными интервалами с помощью измерительных преобразователей (ИП), установленных на станке. При этом информация может быть как о погрешностях станка с ЧПУ, так и о возмущениях, действующих на него. Данный способ получения информации позволяет проводить коррекцию систематической и случайной составляющих погрешностей. Однако необходимость установки на станке ИП (и часто в рабочей зоне) усложняет его конструкцию, затрудняет получение непосредственной (а не косвенной) информации о погрешностях станка.

Рис. 2. Схема возможных вариантов коррекции погрешностей станка с ЧПУ

На практике применяются оба способа коррекции погрешностей.

Так, например, на точность перемещения рабочих органов станка оказывают влияние накопленные погрешности ИП системы обратной связи, ходовых винтов, а также мертвый ход в звеньях механических передач привода подачи.

В общем виде коррекция накопленной погрешности по шагу ходового винта предусматривает следующий порядок. На станке предварительно экспериментально определяют исходную зависимость накопленной погрешности по шагу ходового винта от величины перемещения рабочего органа станка (рис. 3). Полученную зависимость аппроксимируют и вводят в память устройства ЧПУ в форме констант станка. При перемещении рабочего органа в процессе работы станка устройство ЧПУ определяет поправки, корректирующие погрешности ходового винта. Аналогично проводится коррекция мертвого хода в звеньях механических передач привода подачи. Алгоритм коррекции в этом случае предусматривает в точках реверса перемещения рабочего органа подачу на вход следящего привода дополнительных импульсов. Их число соответствует величине мертвого хода механизма привода подачи, измеренной заранее в единицах дискретности и находящейся в памяти устройства ЧПУ.

Как уже отмечалось, станки с ЧПУ имеют высокую энергонасыщенность, что приводит в процессе их работы к выделению большого количества теплоты и к температурным деформациям деталей и узлов станка. Поэтому в настоящее время интенсивно ведутся работы по разработке и применению различных способов снижения погрешностей станков с ЧПУ зависящих от тепловыделений и температурных деформаций, которые можно разделить на две группы:

• способы без дополнительного отвода или подвода теплоты к узлам станка;
• способы, основанные на дополнительном отводе или подводе теплоты к узлам станка.

Рис. 3. Схема коррекции накопленной погрешности станка по шагу ходового винта привода подачи: 1 — график накопленной погрешности; 2 — скорректированная погрешность; 3 — корректирующие воздействия при перемещении рабочего органа станка

Способы первой группы, в свою очередь, подразделяются:

• на компоновочно-конструктивные способы;
• способы коррекции относительных линейных и угловых смещений рабочих органов станка.

Способы второй группы подразделяются:

• на способы, основанные на отводе теплоты охлаждением узлов станка и масла в гидросистеме;
• способы, основанные на подводе теплоты к узлам станка для быстрой стабилизации температуры нагрева и температурных деформаций;
• способы, основанные на стабилизации температуры окружающей среды и, соответственно, стабилизации температурных деформаций деталей станка.

Температурные деформации могут быть снижены за счет более рациональной компоновки станка.

Конструктивно количество теплоты, выделяемое в станке, можно уменьшить двумя путями:

• а) выносом тепловыделяющих механизмов (насосных установок, приводных двигателей, масляных баков, гидроаппаратуры и др.) из станины или других базовых деталей станка;
• б) использованием конструкций с небольшим тепловыделением, что достигается применением шпиндельных подшипников с меньшим тепловыделением, использованием соответствующего смазочного материала, сокращением длины кинематических цепей.

Зубчатые и клиноременные передачи рекомендуется размещать так, чтобы потоки воздуха уносили часть выделяемой теплоты.

Уменьшение «чувствительности» станка к изменению его тепловых полей достигается изготовлением деталей станка из материалов с малым коэффициентом линейного расширения, теплоизоляцией источников теплоты, созданием термосимметричной конструкции станка и его механизмов. Влияние температурных деформаций может быть уменьшено соответствующим взаимным расположением фиксирующих элементов, например упорных подшипников в шпинделе (в передней или задней опоре), места крепления шпиндельной бабки на станине и др.

Как было сказано выше, снижение погрешностей станков от влияния температурных деформаций на точность станка в процессе его эксплуатации может производиться на основе применения систем их коррекции двумя способами:

• 1) постоянным измерением непосредственно смещений оси шпинделя с помощью ИП, однако это не всегда возможно или достаточно сложно;
• 2) измерением смещения оси шпинделя косвенным путем на основе измерения температуры в характерной точке на станке. В этом случае предварительно экспериментально устанавливается функциональная зависимость между изменением температуры в характерной точке на станке и смещением оси шпинделя.

На рис. 4 показан пример коррекции смещения оси шпинделя в многоцелевом станке с вертикальной компоновкой шпинделя фирмы Olivetti (Италия).

Примерно на уровне оси шпинделя в кронштейне 1 (рис. 4, α) шпиндельной бабки закреплен инваровый стержень 2, упирающийся в рычаг 3, поджимаемый к стержню 2 пружиной через струну 4, накрученную на вал измерительного преобразователя 5. При работе станка и смещении передней части шпиндельной бабки со шпинделем вправо при нагреве инваровый стержень (имеющий очень малый коэффициент линейного расширения) смещается также вправо, рычаг 3 отклоняется и ИП 5 выдает в систему управления сигнал для коррекции перемещения салазок станка по координате Y.

На рис. 4, б показаны график 1 смещения оси шпинделя без системы коррекции при частоте вращения шпинделя n = 2780 мин−1 и график 2 смещения при работе системы коррекции.

Значительно меньше разработано практических способов коррекции угловых смещений рабочих органов станка. Разработана и применена система коррекции углового смещения шпинделя с фрезой относительно рабочего стола применительно к вертикально-фрезерному станку. Здесь применен способ относительной стабилизации.

В качестве исполнительных механизмов, осуществляющих поворот фрезы, установленной на шаровой опоре на шпинделе станка, применяются электродвигатели постоянного тока с приводом, преобразующим вращательное движение в поступательное перемещение трех толкателей с роликами. Последние действуют на силовой диск, жестко связанный с фрезой, и обеспечивают ее необходимое пространственное положение относительно рабочего стола. Данный способ коррекции погрешностей станков при угловых смещениях шпинделя был применен также на двухшпиндельном продольно-фрезерном станке.

Для коррекции угловых поворотов шпинделя из-за температурных деформации рекомендуется способ направленного нагрева (охлаждения) с помощью единичных нагревателей или тепловых труб (элементов охлаждения). Так, на одном из станков коррекция углового смещения оси шпинделя из-за температурных деформаций колонны станка (неперпендикулярность оси шпинделя поверхности рабочего стола станка) проводится за счет создания направленного теплового поля колонны станка с помощью закрепляемых на ней нагревательных и охлаждающих элементов.

В ряде случаев перспективным способом коррекции угловых смещений рабочих органов станка с ЧПУ является способ, основанный на применении микроприводов, позволяющих осуществлять с очень малой дискретностью линейные и угловые смещения рабочих органов.

Учитывая, с одной стороны, постоянное совершенствование и расширение возможностей микропроцессорных систем ЧПУ, разработку и применение новых измерительных систем, а с другой стороны, постоянно растущие требования к точности металлообрабатывающего оборудования, повышение их точности путем коррекции погрешностей станков с ЧПУ является достаточно перспективным и эффективным.

Рис. 4. Схема коррекции смещения шпинделя из-за температурных деформаций: α — схема коррекции; б — графики смещений

В качестве исполнительных механизмов, осуществляющих поворот фрезы, установленной на шаровой опоре на шпинделе станка, применяются электродвигатели постоянного тока с приводом, преобразующим вращательное движение в поступательное перемещение трех толкателей с роликами. Последние действуют на силовой диск, жестко связанный с фрезой, и обеспечивают ее необходимое пространственное положение относительно рабочего стола. Данный способ коррекции погрешностей станков при угловых смещениях шпинделя был применен также на двухшпиндельном продольно-фрезерном станке.

Для коррекции угловых поворотов шпинделя из-за температурных деформации рекомендуется способ направленного нагрева (охлаждения) с помощью единичных нагревателей или тепловых труб (элементов охлаждения). Так, на одном из станков коррекция углового смещения оси шпинделя из-за температурных деформаций колонны станка (неперпендикулярность оси шпинделя поверхности рабочего стола станка) проводится за счет создания направленного теплового поля колонны станка с помощью закрепляемых на ней нагревательных и охлаждающих элементов.

В ряде случаев перспективным способом коррекции угловых смещений рабочих органов станка с ЧПУ является способ, основанный на применении микроприводов, позволяющих осуществлять с очень малой дискретностью линейные и угловые смещения рабочих органов.

Учитывая, с одной стороны, постоянное совершенствование и расширение возможностей микропроцессорных систем ЧПУ, разработку и применение новых измерительных систем, а с другой стороны, постоянно растущие требования к точности металлообрабатывающего оборудования, повышение их точности путем коррекции погрешностей станков с ЧПУ является достаточно перспективным и эффективным.