ЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
24 июля 2013 г. на базе МГТУ «СТАНКИН» состоялось совещание «О мерах по развитию отечественного станкостроения в целях модернизации военно-промышленного комплекса»», посвященное развитию отечественного станкостроения. МГТУ «СТАНКИН»» является базовой организацией по подпрограмме «Развитие отечественного станкостроения и инструментальной промышленности» Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» на 2011—2016 гг. Вниманию читателей предлагается начало подборки статей ведущих ученых, специалистов МГТУ «СТАНКИН», ОАО «НИИизмерения» и других организаций по проблемам метрологического обеспечения машиностроения.
621.9.08
Анализ объемных геометрических погрешностей* в многокоординатных измерительных и технологических системах на основе лазерных измерений
В. И. ТЕЛЕШЕВСКИЙ, В. А. СОКОЛОВ
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», Москва, Россия,
e-mail: vitel@stankin.ru
Изложены принципы построения системы автоматической коррекции объемных геометрических погрешностей многокоординатных систем (контрольно-измерительных машин или станков с ЧПУ), основанной на лазерной интерферометрии. На примере трехкоординатных обрабатывающих центров продемонстрирована возможность управления геометрической точностью и ее повышения при помощи коррекции.
Ключевые слова: многокоординатные системы, коррекция объемной геометрической погрешности, лазерная интерферометрия.
The article describes the system for automatic correction of volumetric geometric errors of multi-axis systems (CMMs or CNC-controlled machine-tools). The described system is based on laser interferometry. The accuracy improvement and accuracy control is demostrated for three-axis machining centers.
Key words: multi-axis systems, volumetric geometric accuracy correction, laser interferometry
Среди всего многообразия используемого в современных производственных процессах измерительного и технологического оборудования доминирующее положение занимают многокоординатные системы, к которым, в первую очередь, относятся координатно-измерительные машины (КИМ), приборы и станки. С точки зрения геометрии, их объединяет [2—4]:
взаимодействие с измеряемой (для станков — обрабатываемой) деталью посредством чувствительного элемента датчика (режущей кромки инструмента), перемещающегося по заданной траектории в пространстве;
построение по сходным кинематическим схемам: в традиционной компоновке (декартовой, декартово-полярной, полярной), параллельной кинематике (биподы, триподы
* Volumetric geometric accuracy — термин применяется в маши-но- и станкостроении [1].
и т. д.) [4], гибридном исполнении, сочетающем свойства первой и второй компоновок.
Одним из важнейших показателей качества многокоординатных систем является их объемная геометрическая точность, приобретающая особое значение при контроле и обработке прецизионных трехмерных (3D) поверхностей. Впервые понятие объемной точности введено в практику в [1].
В настоящее время проблема повышения точности и коррекции погрешностей измерительного и технологического оборудования особенно актуальна, так как ресурс механо-технологических возможностей для этого практически исчерпан и продвижение в данном направлении либо невозможно, либо экономически затратно. Поэтому в метрологии возник другой метод повышения точности, основанный на измерении геометрических погрешностей станка или КИМ с их последующей компенсацией [3, 5—9].
Рис. 1. Схематическое изображение компоновки обрабатывающего центра Kondia A-10
В данной статье развивается новый подход к коррекции геометрических погрешностей многокоординатного оборудования, предпосылки к разработке которого изложены в предыдущих публикациях [2, 9—14]. Суть работы заключается в создании математической модели геометрической погрешности многокоординатного оборудования, измерении составляющих этой погрешности многофункциональной лазерной интерференционной измерительной системой, восстановлении распределения геометрической погрешности в рабочем пространстве (error mapping) и вводе поправок в систему ЧПУ многокоординатной системы на основе выработанной оптимальной стратегии коррекции.
Коррекция геометрической погрешности. В [2, 3] представлена система для коррекции геометрической погрешности, продемонстрирована эффективность используемых подходов и выбранных методов коррекции на основе компенсации погрешности по результатам лазерных измерений. В [4] изучен вопрос компенсации не только погрешности по отдельным координатным осям, но и объемной погрешности многокоординатной системы, определяемой по результатам измерения 21 -й параметрической функции объемной погрешности.
Принципы коррекции погрешностей [2, 3] были применены при реализации проекта на предприятии «Салют». Задача состояла в контроле точности и компенсации объемных погрешностей двух трехкоординатных обрабатывающих центров Kondia A-10 (Испания), построенных по компоновке «XYFZ», т. е. они оснащены столом, перемещающимся по осям X, Y, и шпинделем — по оси Z. На рис. 1 представлено схематическое изображение Kondia A-10.
Технические характеристики обрабатывающего
центра Kondia А-10
Плоскость стола......................... 1,200x500 мм
Расстояние от шпинделя до плоскости стола..... 140—750 мм
Перемещения по координатам X; У; Т....... 1000; 500; 610 мм
Точность позиционирования..................... 0,01 мм
Повторяемость................................ 0,008 мм
Дискретность перемещений..................... 0,001 мм
Для измерений объемных погрешностей обрабатывающих центров использовали лазерную интерференционную измерительную систему (ЛИИС) Renishaw XL-80 (Великобритания) [13], обладающую высокой универсальностью. При помощи данной ЛИИС можно измерять параметрические функции объемной погрешности многокоординатного оборудования с высокой производительностью. В настоящее
время появились ЛИИС, в том числе следящие интерферометры (лазер-треккеры) [15, 16], позволяющие за один проход станка измерить до шести параметрических функций объемной погрешности.
Итак, проведя необходимые измерения, по формулам из [2, 3] вычисляют координатные компоненты полной объемной погрешности Дх(х, у, г), Ду(х, у, г), Дг(х, у, г). Например, погрешность Дх определяют как
Дх(х, у, г) = 8ХХ (х) + 8Х1 (г) + &Ху (у) + у [г^ (у) + е^ (х)] +
+ уаух - г [еуу (у) + гух (х)] - га^ + хт - ут [е^ (х) + г^ (у)] -
- ?т [гут (г) + еуу (у) + гух (х)], (1)
где х, у, г — координаты точки, в которой вычисляют координатные составляющие погрешности; 8(у — линейные параметрические погрешности позиционирования вдоль оси и отклонения осей от прямолинейности; е^ — угловые параметрические погрешности (крен, тангаж и рыскание); а^ — погрешности взаимной перпендикулярности осей; хт, ут, гт — поправки на размер инструмента.
Аналогично вычисляют погрешности для других координат Ду(х, у, г), Дг(х, у, г).
Модуль полной объемной геометрической погрешности для некоторой /-й точки с координатами (х.., у, г.) находят из координатных составляющих по формуле [1, 2]:
Д. =^Дх2 + Ду2 + . (2)
По результатам измерений была проведена аттестация точности позиционирования координатных осей согласно [17] и получены сертификаты калибровки обрабатывающих центров как средств измерений. После замены режущего инструмента на измерительную головку такая аттестация позволяет измерять обработанные детали непосредственно на станке, не перенося их на КИМ, что существенно увеличивает производительность и повышает точность контрольных операций в результате сохранения единства технологических и измерительных баз, уменьшения времени ожидания вы равнивания температуры детали и стола КИМ и ряда других факторов.
Визуализация распределения объемных геометрических погрешностей в рабочем пространстве станка. Авторами статьи разработано программное обеспечение (ПО) для визуализации распределения объемной погрешности в рабочем пространстве обрабатывающего центра. Этапы работы ПО следующие:
на основании результатов измерений параметрических функций объемной геометрической погрешности определяют значения объемных погрешностей по координатным осям (1), а также абсолютную полную объемную геометрическую погрешность в точках рабочего пространства (2), заданных с определенным шагом;
каждому значению модуля геометрической погрешности присваивают цвет в соответствии с цветовой шкалой, например, от меньшей погрешности к большей — от зеленого до красного, либо от черного до белого;
на экран компьютера выводят изометрическую проекцию рабочего пространства обрабатывающего центра с точками, раскрашенными в соответствии со значением объемной погрешности.
Рис. 2. Диаграммы
На рис. 2 представлены черно-белые диаграммы распределения объемной погрешности в рабочем пространстве станка. Цветовая шкала приведена в микрометрах: черным показаны точки рабочего пространства при объемной погрешности А < 20 мкм, темно-серым А < 40 мкм, светло-серым А < 60 мкм.
Согласно [17] для измерений геометрических погрешностей в рабочем пространстве следует брать не менее 5 точек на каждой координатной оси. Для большей репрезентативности эксперимента в рабочем пространстве исследуемых обрабатывающих центров была выбрана сетка точек со следующими параметрами: ось X — (40—880) мм, шаг 40 мм; ось У — (30—450) мм, шаг 20 мм; ось Т — (5—505) мм, шаг 25 мм. Итого — измерения проведены в 22 ■ 22 ■ 21 = 10164 точках.
На диаграмме (см. рис. 2, а) отображены области рабочего пространства с различными значениями А. По такой диаграмме можно сделать вывод о точностных характеристиках станка и дать рекомендации по расположению детали в определенной области рабочего пространства для достижения заданной точности как обработки, так и последующих измерений.
Коррекция объемной геометрической погрешности. С о-временные системы ЧПУ и системы автоматизированной подготовки производства осуществляют программную коррекцию погрешностей многокоординатных систем. Она может выполняться различными способами:
компенсацией погрешностей вследствие изменения готовой управляющей программы обработки детали
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.