621.9.08
Лазерная коррекция геометрических погрешностей многокоординатных систем с программным управлением
В. И. ТЕЛЕШЕВСКИЙ, В. А. СОКОЛОВ
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», Москва,
Россия, e-mail: vitel@stankin.ru
Рассмотрен метод лазерной коррекции геометрических погрешностей многокоординатного оборудования с программным управлением — станков и координатно-измерительных машин, а также традиционный стандартизованный способ коррекции геометрических погрешностей по отдельным координатным осям и способ коррекции полной объемной погрешности. Показана эффективность метода, позволяющего снижать в 10 раз и более геометрические погрешности указанных машин, в том числе оснащенных длинномерными координатными осями (более 18 м). Предложено оптимальное управление распределением погрешностей, обеспечивающем их минимальные значения в максимальной зоне рабочего пространства.
Ключевые слова: многокоординатные системы, объемная точность, программные коррекция и управление, лазерные измерения.
A method of software laser correction of geometric errors of multiaxis machines with programmed control — CNC machine tools and coordinate measuring machines, as well as the traditional standardized method of geometric errors correction along separate coordinate axes and the total volumetric error correction method are considered. The effectiveness of the method allowing 10 times reducing of machines geometrical errors including the ones with long-length coordinate axes (longer than 18 meters) is shown. An optimal error distribution control ensuring the minimal errors within maximal workspace zone is suggested.
Key words: multiaxis systems, volumetric accuracy, software correction and control, laser measurements.
Многокоординатные системы с программно-управляемыми перемещениями узлов и механизмов лежат в основе современного машиностроения. К ним относят разнообразное технологическое оборудование — станки, в которых формообразование изделий осуществляется в результате взаимодействия с обрабатываемой деталью режущей кромки инструмента (лезвийного, абразивного, ультразвукового, лазерного, электроэрозионного и др.), движущейся в пространстве по заданной траектории [1]. К таким же системам относят средства измерений (СИ) — координатно-измеритель-ные машины (КИМ) и приборы, функционирующие по координатному принципу, в которых с контролируемой деталью контактно или бесконтактно взаимодействует чувствительный элемент датчика, сканирующего в пространстве по заданной траектории. При этом как технологическое, так и измерительное оборудование строится по сходным кинематическим схемам: в традиционной компоновке (декартовой, декартово-полярной, полярной), параллельной кинематике (биподы, триподы и т. д.) [2], гибридном исполнении, сочетающем свойства первой и второй компоновок.
Фундаментальные тенденции развития современного машиностроения — непрерывное повышение точности, автоматизация технологических процессов и производств на базе компьютерных систем управления и информационных технологий, интеграция технологических и измерительных процессов [1 ] — ставят новые задачи в проблематике метрологического обеспечения.
Повышение точности станков и КИМ в решающей степени определяются технологией их изготовления и сборки. Однако в настоящее время ресурс технологических возможностей практически исчерпан, и продвижение в этом направлении, особенно применительно к высокоточным станкам и
КИМ 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].
В последние 10 —15 лет данный метод получил существенное развитие [4]. Во-первых, совершенствуют математические модели объемной точности многокоординатных станков и КИМ (до 5 координат). Во-вторых, создаются методики оценки распределения погрешностей в рабочем пространстве станка или КИМ (error mapping) [5]. В-третьих, благодаря совершенствованию самих систем (NC и CNC) числового программного управления (ЧПУ) открывается возможность автоматической коррекции погрешностей по результатам их измерений путем введения поправок в эти системы. В-четвертых, разработаны высокоточные методы и СИ геометрических погрешностей станков и КИМ, охватывающие все основные типоразмеры (до нескольких десятков метров) и классы точности, включая высшие (погрешности до 0,5 мкм/м) при дискретности отсчета до 0,001 мкм [6 — 8]. Наиболее перспективны в этом отношении гомодинные [6] и гетеродинные лазерные измерительные информационные системы [7, 8]. В-пятых, совершенствуют нормативную базу этого направления [9].
Поэтому в настоящее время метод коррекции геометрических погрешностей станков и КИМ с ЧПУ получает широкое распространение. По оценке авторов [4], в 2012 г до 30 — 50 % всех новых станков будут подвергаться процедуре измерения геометрических погрешностей с последующей их компенсацией посредством коррекции данных в системе ЧПУ.
Ниже представлены результаты, подтверждающие высокую эффективность метода и некоторые возможности, зало-
Рис. 1. Схема измерения перемещения порталов станка 2ФП-241С: 1 — портал; 2, 3 — колонны; 4 — подвижный отражатель; 5 — блок интерферометра; 6 — лазерная головка ЛИИС
женные в нем. Исследовали точность позиционирования узлов двухпортального продольно-фрезерного станка 2ФП-241С с системой ЧПУ «Indramatic». Порталы перемещаются навстречу друг другу, обеспечивая фрезерную обработку крупногабаритных деталей длиной более 20 м со скоростью до 1000 мм/мин. Погрешность обработки не должна превышать ± 0,05 мм.
Точность позиционирования порталов на длине до 18900 мм изучали с применением лазерной интерференционной измерительной системы (ЛИИС) HP-5528A фирмы Hewlett-Packard (США), погрешность измерения которой на длине
Рис. 2. Погрешность перемещения портала станка 2ФП-241С по оси X до (а) и после (б) коррекции
30 м не превышала 1,7 мкм [10]. Измерения проводили по методике, описанной в [9], схема измерения перемещений порталов (по оси X) представлена на рис. 1. На колонне 3 портала 1 установлен подвижный отражатель 4 ЛИИС. На столе станка в конце диапазона перемещения расположены лазерная головка 6 ЛИИС и блок интерферометра 5. Программным способом портал 1 перемещают в прямом и обратном направлениях вдоль оси X. Позиционирование осуществляют через каждые 300 мм (60 контрольных точек), в которых регистрируют показания ЛИИС. Проводят три цикла измерений. Результаты измерений — геометрическая точность (погрешность) станка после его сборки — представлены на рис. 2, а.
По этим данным определяли поправки и вводили их в систему ЧПУ станка через каждые 50 мм. Результаты измерений скорректированной погрешности позиционирования представлены на рис. 2, б.
Измеряли также перемещения колонны 2, по которым судили о перекосе портала, а также перемещение шпинделя по перпендикулярным осям У и Т. Аналогично определяли перемещения узлов второго портала, движущегося во встречном направлении.
Из приведенного выше следует, что лазерная коррекция геометрических погрешностей достаточно эффективна и существенно повышает точность позиционирования (не менее чем в 10 раз). Это позволило оснастить исследуемый станок измерительной головкой и аттестовать его как СИ — координатно-измерительную машину. Благодаря чему стало возможным контролировать крупногабаритные детали непосредственно на станке после обработки, что существенно повысило производительность и точность изготовления деталей.
В последнее время распространена оценка геометрической точности станков по их объемной точности — способности точно воспроизводить трехмерные поверхности [11 ]. Количественно объемную погрешность многокоординатного оборудования определяют как разницу радиусов-векторов действительного и номинального положений рабочей точки инструмента относительно измеряемой или обрабатываемой детали в выбранной системе координат. Принципиально существуют два подхода: определение отдельных составляющих объемной погрешности с последующим вычислением полной объемной погрешности по известным зависимостям и непосредственное определение полной объемной погрешности. Ниже будем рассматривать первый подход.
В рамках данного подхода многокоординатную машину представляли как состоящую из компонентов — абсолютно твердых тел, перемещающихся вдоль координатных осей X, У, Т. Так как твердое тело имеет шесть степеней свободы — перемещение по трем координатным осям и вращение вокруг них — и строго ограничить количество степеней его свободы до одной невозможно, для каждой из трех осей возникают шесть погрешностей — по три погрешности перемещений и поворотов. Вместе с взаимной неперпендикулярностью пар осей X и У, У и Т, X и Т данные погрешности составляют 21 параметрическую погрешность (таблица), каждая из которых зависит от координат заданной точки в рабочем пространстве машины [4]. Как следует из таблицы, ЛИИС, обладающая гибкостью, переналаживаемостью и способностью за одну установку лазерной головки измерять ряд параметрических погрешностей, является основным СИ для
реализации рассматриваемого подхода. Отдельные составляющие полной погрешности (крены осей перемещения) рекомендуется измерять высокоточными электронными уровнями.
В качестве примера было проведено моделирование погрешности трехкоординатного координатно-расточного станка 24К40СФ4 с вертикальным расположением шпинделя и горизонтальным двухкоординатным столом. Станок оснащен системой ЧПУ FlexNC производства ООО «Станко-центр». Рабочее пространство станка, определяемое наибольшими программируемыми перемещениями по координатам X, Y, Z, составляет 640x400x500 мм.
Система ЧПУ FlexNC построена по принципу модульности [12]. На верхнем уровне в системе FlexNC находится персональный компьютер (ПК), задачей которого является обеспечение системы стандартными интерфейсами: аппаратным, программным и пользовательским. Стандартный аппаратный интерфейс позволяет использовать совместимые с ПК периферийные устройства в системе ЧПУ с целью ее расши
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.