Точность станка ЧПУ в основном определяет точность обработанных на нем изделий. Различают геометрическую и кинематическую точности. На точность обработки влияют жесткость, виброустойчивость и точность позиционирования.
Погрешности обработки деталей на станках с ЧПУ можно классифицировать:
- по статистическим показателям - систематические и случайные; систематические ошибки - разность математических ожиданий входной (по чертежу или таблице) и выходной (по детали) функций;
- по режиму работы, в котором возникают погрешности - стационарный и нестационарный; стационарный (установившийся) - режим, в котором рассматриваемая функция имеет вероятностные характеристики (математическое ожидание, дисперсию), не зависящие от времени; нестационарный (переходный) - режим, при котором рассматриваемая функция имеет определенные тенденции к изменению во времени и ее вероятностные характеристики зависят от выбора момента отсчета;
- по источнику (узлу системы), где возникает погрешность; практически все узлы системы вносят систематические и случайные погрешности влияющие на точность станка ЧПУ, среди них можно выделить ошибки четырех основных частей системы: программирования, устройства ЧПУ, привода подач, технологической системы);
- по геометрическому виду - макропогрешности на детали (отклонения формы, волнистости) и микропогрешности обработки (шероховатость).
Макропогрешность на детали, поверхность которой задана чертежом или аналитически, определяется как кратчайшее расстояние до заданной. Ошибки рассогласования разность мгновенного значения текущей координаты рассматриваемого параметра и ее величины, заданной программой. Погрешность рассогласования на деталь может не переноситься. В этом случае при движении детали относительно инструмента центр его остается на эквидистантной траектории.
Точность станков с ЧПУ пяти классов приведена в таблице на рис. 1. Нормирование допустимых погрешностей в станках с ЧПУ имеет существенное практическое значение. Точность останова (позиционирования) на заданной координате принята одним из основных показателей точности во всех типах станков как с позиционными, так и контурными системами ЧПУ.
Рис. 1. Точность станков с ЧПУ: допускаемая накопленная погрешность позиционирования в мм, при одностороннем подходе
Примечания: 1. Дискретность информации и отклонения по шагу шкалы устройства обратной связи для классов Н - 10 мкм; П - 5 мкм; В - 2 мкм; А и С - 1 мкм. 2. Разрешающая способность средств проверки для классов Н и П - 1 мкм; В - 0,5 мкм; А - 0,2 мкм; С - 0,1 мкм.
Исходя из нормального закона распределения ошибок максимальное в пределах аттестуемой длины хδ перемещение (рис. 2)
δmax = {М[δх]+3δ(δх)}max-{М[δх]-3δ(δх)}min,
где М[δх] и δ (δх) - текущие значения математического ожидания и дисперсии ошибки в интервале 0 ≤ Х ≤ Х0.
В системе ЧПУ производится сдвиг начальной расчетной координаты (нуля отсчета) на величину l0, обеспечивающую симметричное распределение допуска As. При этом стабильность (повторяемость) определяется полем рассеяния центрированной функции ошибки и при нормальном распределении
[δ(х)]max=[±3σ(δх)]max
Рис. 2. Статистические оценки погрешности позиционирования в функции длины по нормали МТВА (США): 2А - поле допуска; δmax - поле ошибки; х - линейное перемещение; х0 - участок постоянного допуска
Приведенные характеристики с указанными ниже дополнениями приняты в стандартах стран СЭВ, США, ФРГ, Co гласно стандарту VDI (ФРГ), погрешность определяют в предположении, что центрированная функция ошибки по всей аттестуемой длине перманентна.
Кроме общих норм точности для всех станков, точность станков ЧПУ выявляется дополнительно следующими специфическими проверками:
- линейного и углового позиционирования рабочих органов;
- зоны нечувствительности (отставание при смене направления движения);
- точности возврата в исходное положение;
- стабильности выхода рабочего органа в заданную точку;
- точности обработки круга в режиме круговой интерполяции;
- стабильности положения инструмента после автоматической смены.
Общая допускаемая ошибка ∆р=∆+δ, где ∆ - накопленная погрешность; δ - допускаемая нестабильность.
Для сохранения точности станков в течение длительного времени Все проверки по сравнению с нормативными ужесточают на 40 % (резервирование запаса на изнашивание).
Погрешности обработки на станках с ЧПУ определяются следующими основными факторами:
- неточностью из-за ошибок интерполятора и режима интерполяции;
- погрешностями управляющих программ из-за аппроксимации;
- погрешностями установки, базирования и закрепления детали на станке;
- погрешностями настройки инструмента и станка на размер;
- неточностью инструмента и его износом, тепловыми деформациями и деформациями из-за внутренних напряжений в детали;
- малой жесткостью;
- ошибками наладчика и оператора.
Повышенные требования к точности станков ЧПУ и их виброустойчивости определяют тенденцию к уменьшению податливости элементов и узлов механической части в среднем на 40...50 % по сравнению с универсальными станками.
Расчет податливости выполняют для определения:
- упругих параметров системы станка с последовательным анализом АФЧХ (запас устойчивости и динамическая точность);
- статических погрешностей обработки из-за деформаций в технологической системе, не охваченных обратной связью.
В балансе упругих перемещений элементов и узлов станков рассматривают следующие виды деформаций:
- контактные неподвижных и подвижных стыков между сопрягаемые ми механическими узлами;
- контактные опор качения; изгибные и крутильные звеньев кинематических цепей;
- изгибные и крутильные корпусных деталей и узлов.
В общем случае линейная податливость элемента или узла выражается отношением приращения линейного перемещения δ в направлении действующей силы Р к приращению силы: ел=dδ/dP
Угловая податливость выражается отношением приращения угловой деформации φ, вызванной действием момента M в направлении угла φ, к приращению момента: ем=dφ/dМ
Так как в металлообрабатывающем оборудовании встречаются различные соединения элементов, то их приведенная жесткость (податливость) влияющая на точность станка ЧПУ определяется схемой соединения.
При параллельном соединении упругих элементов складываются их жесткости (рис. 3, α).
Рис. 3. Схемы соединения упругих элементов
Если система состоит из двух последовательно расположенных элементов с коэффициентами жесткости С1 и С2, установленных с предварительным натягом (рис. 3, б), то Спр=С1+С2,
так как приложение силы вызывает одинаковую деформацию обоих упругих элементов, один из которых дополнительно нагружается, а другой разгружается.
При последовательном соединении элементов (рис. 3, в) складываются их податливости.
Статическая жесткость систем, состоящих из нескольких последовательно соединенных деталей, зависит от собственной жесткости этих деталей, контактной жесткости стыков между ними, жесткости масляных слоев, передаваемых нагрузок, сил трения, возникающих при относительном перемещении деталей вследствие нагружения системы. Понятие жесткости системы в некоторой мере условно, так как оно включает также влияние сил трения на способность системы противостоять деформациям под действием нагрузок.
Если при значительных нагрузках, возникающих в станках при черновой обработке, в общем балансе большой удельный вес имеют упругие деформации собственно деталей (определяемые известными формулами из сопротивления материалов) влияющие на точность станка ЧПУ, то при отделочной обработке основными являются контактные сближения.
Контактные сближения δ, мкм, для неподвижных плоских стыков имеют нелинейную зависимость (рис. 4, α)
Нелинейная зависимость σ=f(σ) может быть условно разбита на три линейных участка различной жесткости (рис. 4, б): 1 - незатянутый стык в пределах деформации микронеровностей - шероховатости при σ ≤ σ1; 2 - затянутый стык в пределах деформации макронеровностей - волнистости при σ1 < σ < σ2; 3 - плотный стык в пределах деформации макронеровностей - волнистости при σ2 < σ ≤ σ3 (при σ > σз - металл разрушается или течет). Таким образом, для всех трех участков может быть зависимость δi = Kiσi (где i = 1, 2, 3).
Например, в незатянутых и подвижных (направляющие скольжения и др.) стыках, если давление от внешней нагрузки намного меньше начального (участок 1 рис. 4, б), то δ=Kσ,
где К - коэффициент контактной податливости, равный для пары сталь-чугун 1...2.
Рис. 4. Графики зависимости контактных сближений от нормальной нагрузки (давления)
