mgr in. Rafa Wypysiski
Instytut Technik Wytwarzania PW
OKRELANIE ZDOLNOCI POMIAROWEJ URZDZE
NA PRZYKADZIE PRTA WEKTOROWEGO
W Instytucie Technik Wytwarzania Politechniki Warszawskiej opracowano now metod i urzdzenie do sprawdzania dokadnoci maszyn sterowanych numerycz-nie (NC – Numerical Control). W celu podjcia decyzji o zdolnoci caego syste-mu pomiarowego przeprowadzono szereg testów. Skorzystano przy tym z goto-wych procedur pomiarogoto-wych oraz zaproponowano nowe sposoby testowania przyrzdów pomiarowych.
DETERMINATION OF DEVICES MEASUREMENT ABILITY IN CASE OF VECTOR BAR
New method and device for accuracy testing of numerical control machines (NC) was developed in Institute of Manufacturing Technology at Warsaw University of Technology. There were many tests realized for taking a decision about whole system’s ability. New methods of measurement devices testing and already worked out methods were used.
1. WSTP
Pod pojciem dokadnoci rozumie si najczciej stopie zgodnoci wyniku pomiaru z wartoci rzeczywist wielkoci mierzonej [1]. W praktyce technicznej warto rzeczywista jest jednak pojciem czysto abstrakcyjnym i nie jest moliwe jej jednoznaczne okrelenie. Z tego wzgldu przy definicji pomiarów zamiast niej uywa si pojcia wartoci poprawnej, stanowicej w konkretnym przypadku dostateczne przyblienie wartoci rzeczywistej. War-to poprawn mona zdefiniowa jako wynik innego, dostatecznie dokadnego pomiaru [2]. W programie sterujcym ruchem maszyn NC (obrabiarek, robotów…) tory ruchu rozpisane s na poszczególne ruchy elementarne osi sterowanych numerycznie. Zaprogramowana cieka (kolejne punkty, uki, krzywe…) moe by opisana z dowoln dokadnoci numeryczn (dowolna ilo miejsc po przecinku), jednak dokadno geometryczno-ruchowa maszyn, zmienno procesu i inne czynniki powoduj, e w praktyce mona uzyska ograniczon do-kadno kocow toru ruchu czy te przedmiotu obrabianego.
Dokadno maszyn NC jest jednym z najwaniejszych czynników okrelajcych jako efek-tu kocowego, przy czym za wskanik jakoci mona przyj jako powierzchni czy te do-kadno wymiarowo-ksztatow przedmiotu po obróbce. Umiejtno okrelania dokadnoci maszyn jest zatem istotna z punktu widzenia procesu technologicznego. Do tego celu opra-cowano szereg urzdze pomiarowych (rys. 1). Wykorzystywane w przemyle urzdzenia pozwalaj na przeprowadzenie:
- statycznych testów dokadnoci i powtarzalnoci pozycjonowania osi liniowych i obroto-wych (polegajce na dojechaniu zespoów wykonawczych maszyny do okrelonej pozycji, zatrzymaniu ruchu i okreleniu rónicy wskaza midzy ukadami pomiarowymi obrabiarki oraz dokadniejszym urzdzeniem pomiarowym),
- dynamicznych testów okrgoci, wykonywanych w czasie ruchu koowego na paszczynie, bdcego wynikiem zoenia dwóch ruchów liniowych (w tym przypadku istotny jest ksztat cieki pomiarowej).
a) b) c)
Rys. 1. Urzdzenia do badania dokadnoci obrabiarek NC: komercyjne [3] (a – Ball Bar Renishaw, b – interferometr laserowy Renishaw z ukadem optycznym do badania prostopadoci osi liniowych) i testowane w laboratoriach [4] (c – R-test).
Okrelajc dokadno obrabiarek NC w wyznaczonych punktach pomiarowych i wprowadzajc odpowiednie wartoci poprawek do tablicy korekcji ukadu sterowania, mona w szybki i tani sposób zwikszy dokadno obrabiarki a wic równie dokadno obróbki. Z tego wzgldu opracowywane s nowe koncepcje metod i urzdze do badania dokdnoci o rosncych moliwociach pomiarowych.
Zarówno komercyjne przyrzdy pomiarowe jak i prototypowe urzdzenia wymagaj okrele-nia ich zdolnoci pomiarowej, aby mogy prawidowo realizowa swoje zadaokrele-nia.
2. OPIS KONCEPCJI PRTA WEKTOROWEGO
W Instytucie Technik Wytwarzania Politechniki Warszawskiej opracowan metod badania dokadnoci maszyn NC, któr nazwano „metod wektorow” – z uwagi na wasnoci kine-matyczne i pomiarowe, za wykorzystywane w tej metodzie urzdzenie – prtem wektoro-wym ( w skrócie VB – od ang. Vector Bar). Sprawdzanie dokadnoci jest realizowane przez jednoczesny pomiar dwóch wielkoci: kta obrotu i przemieszczenia liniowego – pomiar w biegunowym ukadzie wspórzdnych. W kadym momencie testu mona okreli wszyst-kie charakterystyczne parametry opisujce wektor na paszczynie: zwrot (okrelany za po-moc enkodera ktowego jako odchylenie od zaprogramowanego pooenia zerowego), war-to (okrelana przez enkoder przemieszcze liniowych) i kierunek (wzrost lub spadek ska-dowej liniowej) przy znanym punkcie zaczepienia (charakterystyczna wielko geometrycz-na, wynikajca z konstrukcji urzdzenia).
Opracowan koncepcj wyrónia wykorzystanie sztywnego prta (wikszo znanych roz-wiza bazuje na prtach/rurach teleskopowych), który przechodzi przez rodek obrotu. W ostatecznej wersji jeden koniec prta jest swobodny, za drugi jest zakoczony przegubem kulistym i mocowany w uchwycie magnetycznym, który w trakcie pomiarów mocowany jest w miejscu narzdzia. Przegub kulisty peni dodatkowo rol zabezpieczenia w trakcie pomia-rów, ograniczajc moliwo uszkodzenia urzdzenia w przypadku kolizji.
Sygnay elektryczne (w standardzie TTL) s przesyane z gowic odczytowych enkoderów do skrzynki przyczeniowej i dalej do karty DAQ, umieszczonej w komputerze przemysowym.
a) b)
Rys. 2. Prt wektorowy: a – zamocowany na tokarce NC z oyskowanym przegubem przy adapterze narzdziowym (wczeniejsza koncepcja), b – wersja VB z przegubem kulistym
3. TESTY PRTA WEKTOROWEGO
3.1. Badanie stabilnoci wskaza i powtarzalnoci VB
Badanie zdolnoci pomiarowej prta wektorowego rozpoczto (zgodnie z zaleceniami proce-dur pomiarowych) od najprostszych testów, czyli sprawdzenia stabilnoci wskaza (nie-zmiennoci wskaza przy tych samych warunkach pomiaru) oraz dokadnoci, polegajcej na wielokrotnych najazdach na ten sam punkt pomiarowy.
Wskazania enkodera ktowego w czasie testu stabilnoci róniy si maksymalnie o 0,00011º (0,396 s ktowej), czyli w granicach rozdzielczoci pomiaru samego enkodera. Wskazania enkodera liniowego równie zmieniay si w zakresie rozdzielczoci enkodera (0,5 µm), z wyjtkiem jednego punktu, który moe by uznany za bd i pominity (gdy stanowi jeden z 30633 pomiarów).
a) b)
Rys. 3. Wyniki testu stabilnoci: a – wskazania enkodera ktowego, b – wskazania enkodera liniowego
Testy powtarzalnoci wskaza prta wektorowego przeprowadzono w czterech wariantach: z wykorzystaniem wzorca schodkowego, uchwytu magnetycznego (z trzypunktowym stykiem z przegubem kulistym), pryzmy oraz ktownika. Z uwagi na moliwo ruchu VB wycznie w jednej paszczynie, bdy ustawienia uchwytu magnetycznego w paszczynie pomiarowej wprowadzay naprenia w waku, z którym sprzony jest enkoder ktowy. Wyniki pozosta-ych testów byy zblione do siebie i okreliy kocow dokadno i rozrzut wskaza obu enkoderów pomiarowych w opisywanym zastosowaniu. Odchylenie standardowe dla pomiaru kta wynioso 2,27 s ktowej za dla pomiaru promienia 1,8 µm.
a) b)
Rys. 4. Sprawdzenie dokadnoci pomiaru kta i promienia VB z wykorzystaniem pryzmy: a – budowa stanowiska pomiarowego, b – wyniki pomiaru kta, c – wyniki pomiaru promienia
3.2 Pomiary ze stolikiem krzyowym
Na stoliku krzyowym zamocowano uchwyt magnetyczny. Ustawiono uchwyt w paszczynie pomiarowej VB i nastpnie dojedano do kolejnych punktów pomiarowych (0 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm i 20 mm), wykorzystujc drug o stolika. Aby unikn ewentualnych luzów zwrotnych, na punkty pomiarowe najedano zawsze z tej samej strony.
a) b)
Rys. 5. Badanie dokadnoci VB z wykorzystaniem stolika krzyowego: a – schemat pomiaru, b – wyniki pomiarów dla kolejnych punktów pomiarowych (count – liczba próbek, mean – warto rednia w µm, sigma – odchylenie standardowe w µm)
3.2 Badania na CMM
Kolejny test mia na celu okrelenie staych wartoci geometrycznych prta wektorowego oraz okrelenie dokadnoci pomiarów. Wymagane parametry oraz moliwoci pomiarowe, uwzgldniajce specyfik opracowanego rozwizania, posiadaj wspórzdnociowe maszyny pomiarowe (CMM). Badania przeprowadzono w laboratorium Zeiss na maszynie Calypso, umoliwiajcej okrelenie pooenia punktu w przestrzeni 3D z dokadnoci ±1,4 µm.
a) b)
Rys. 6. Test VB na wspórzdnociowej maszynie pomiarowej: a – zamocowanie VB do ko-lumny CMM za pomoc adaptera, b – przykadowe wyniki pomiaru dla ruchu poziomego CMM
Cech charakterystyczn rozwiza prototypowych jest konieczno opracowywania nowych procedur pomiarowych, bazujcych na dostpnych procedurach wzorcowych i strategiach pomiarowych, dziki którym moliwe bdzie okrelenie zdolnoci konkretnego systemu po-miarowego. Testy VB na wspórzdnociowej maszynie pomiarowej polegay na zastpieniu gowicy stykowej CMM specjalnym adapterem, który umoliwia zmiany pooenia przegubu kulistego VB. Zmiany te byy rejestrowane przez ukad pomiarowy CMM oraz tor pomiaro-wy prta wektorowego. Maksymalna rónica wskaza VB-CMM okrelia dokadno nowe-go urzdzenia (±10 µm) [5].
4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Opracowana nowa metoda pomiaru charakteryzuje si si du uniwersalnoci, gdy umo-liwia przeprowadzenie statycznych i dynamicznych testów obrabiarek. Pozwala wic na okre-lanie dokadnoci i powtarzalnoci pozycjonowania oraz dynamicznych waciwoci i cha-rakterystyk napdów.
Wykonanie testów sprawdzajcych charakterystyczne parametry urzdzenia byo o tyle trud-ne, i dla prototypowych rozwiza tego typu nie ma gotowych metod i procedur testujcych. Istniejce procedury mona traktowa tylko jako pewne wzorce, za wyznacznikiem s tylko charakterystyczne wartoci, które naley w tych testach okreli. Nale do nich m.in. stabil-no pomiarów, dokadstabil-no i powtarzalstabil-no. Rozdzielczo pomiaru wynika w przypadku prta wektorowego z rozdzielczoci dwóch wykorzystanych enkoderów. Przeliczajc stae rozdzielczoci enkoderów z biegunowego ukadu wspórzdnych na ukad kartezjaski (gdy
w takim ukadzie pracuj np. obrabiarki NC) okazuje si, i rozdzielczo pomiaru jest zmienna (gdy rozdzielczoci osi biegunowych VB naley zrzutowa na osie kartezjaskiego ukadu wspórzdnych). Rozdzielczo w najmniej korzystnym przypadku wynosi 0,5 µm dla osi X oraz 0,25 µm dla osi Z (pomiar kta realizowany z rozdzielczoci 0,41 sekundy kto-wej, pomiar przemieszcze liniowych z rozdzielczoci 0,5 µm).
BIBLIOGRAFIA
[1] Zawistowski J., Saaciski T., wiczenia laboratoryjne z metrologii, Oficyna Wydawni-cza PW, Warszawa 2005.
[2] Biaas S., Metrologia techniczna z podstawami tolerowania wielkoci geometrycznych
dla mechaników, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1999.
[3] Renishaw, Performance measuring system, Renishaw, UK 2005.
[4] Weikert S., R-Test, a New Device for Accuracy Measurements on Five Axis Machine
Tools, CIRP ANNALS 2004, Volume 53/1-2004
[5] Wypysiski R., Nowa metoda badania dokadnoci maszyn NC, Konferencja Naukowo – Techniczna Doktorantów i Modych Naukowców, Warszawa 22–24 wrzenia 2008.
