IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH OSI POSUWU W TOKARCE CNC ZE ŚRUBĄ TOCZNĄ

(1)

IMPLEMENTACJA BEZPRZEWODOWEGO UKŁADU KOMPENSACJI ODKSZTAŁCEŃ

CIEPLNYCH OSI POSUWU W TOKARCE CNC ZE ŚRUBĄ TOCZNĄ

Jacek Zapłata

^1a

, Mirosław Pajor

^2b

, Kamil Stateczny

^2c

1Katedra Mechaniki i PKM, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

2Instytut Technologii Mechanicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

ajacek.zaplata@zut.edu.pl,^bmiroslaw.pajor@zut.edu.pl,^ckamil.stateczny@zut.edu.pl,

Streszczenie

W artykule przedstawiono bezprzewodowy system kompensacji odkształceń cieplnych śrub pociągowych zaimplementowany w tokarce typu Avia Turn. Funkcjonowanie systemu opiera się na pomiarze rozkładów temperatur za pomocą czujników umieszczonych we wnętrzu śrub pociągowych. Wykorzystano czujniki z wbudowanym interfej- sem cyfrowym. Dane, zawierające wartości temperatur, przesyłane są do układu PLC obrabiarki za pomocą ener- gooszczędnego, bezprzewodowego interfejsu. Zastosowanie opracowanych procedur obliczeniowych pozwala określić wartość poprawki redukującej wpływ odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania osi. Wartość ta jest za- leżna od pozycji oraz aktualnego stanu temperaturowego. W pracy przedstawiono zarejestrowane doświadczalnie temperatury, odchyłki położenia osi napędowych oraz obliczone poprawki potwierdzające skuteczność działania opracowanego systemu kompensacji.

Słowa kluczowe: błąd cieplny, odkształcenia cieplne, śruba toczna, obrabiarka CNC

IMPLEMENTATION OF THE WIRELESS SET FOR THERMAL ERROR COMPENSATION

OF A CNC LATHE AXIS DRIVEN BY A BALL SCREW

Summary

The paper presents a wireless set for compensation of the thermal error of CNC axes installed in “Avia Turn”.

The set uses temperature sensors installed inside ball screws for measuring the thermal state of CNC axes. The sensors have build-in digital interfaces. Thermal data are sent to the PLC of a CNC lathe by means of an energy- efficient wireless interface. The developed mathematical model allows to compute correction values reducing the influence of the positioning thermal error. The correction values are position- and temperature-dependent. The measured temperatures, positioning thermal errors and evaluated correction values have been shown validating the functionality of the set.

Keywords: thermal errors, thermal deformation, ball screw, CNC machine tool

1. WSTĘP

Osie napędowe maszyn obróbczych realizują ruch narzędzia względem przedmiotu obrabianego. Jednym z głównych wymagań stawianych osiom posuwu nowocze- snych maszyn obróbczych CNC jest wysoka dokładności realizacji tego ruchu w trakcie procesu obróbki. Dokład- ność ta jest pogarszana m.in. przez niekompensowane odkształcenia cieplne. W przypadku osi posuwu maszyn

CNC napędzanych za pośrednictwem śrub tocznych przyczyną powstawania odkształceń cieplnych jest głównie tarcie generowane przez elementy toczne poru- szające się w łożyskach oraz nakrętce śruby tocznej.

Wartość generowanych strumieni cieplnych jest zwięk- szona, gdy w maszynie obróbczej dla poprawienia jej sztywności zastosowano napięcie wstępne śrub oraz gdy

(2)

w celu polepszenia wydajności pracy maszyny stosuje się duże prędkości ruchów pomocniczych.

Ograniczenie wpływu odkształceń cieplnych osi na dokładność ruchu może zostać osiągnięte przez zastosowanie systemów chłodzących. Autorzy [9, 10]

przedstawili układ chłodzenia powietrzem śruby oraz nakrętki. Autorzy [6, 2, 8] są zgodni, iż skutecznym i ekonomicznie uzasadnionym sposobem podniesienia dokładności pracy maszyn obróbczych CNC jest wprowadzenie w ich układzie sterowania poprawek kompen- sujących wpływ odkształceń cieplnych śrub pociągowych na dokładność pozycjonowania. W artykule [7] badacze przedstawiają teoretyczny model rozkładu temperatury śruby tocznej. Odnotowują oni, że jego wykorzystanie do celów kompensacji jest problematyczne ze względów obliczeniowych. Autorzy [2] zauważają, iż w wykonanych przez nich eksperymentach rozkład temperatury wzdłuż śruby jest praktycznie jednolity, a zmianę temperatury śruby w czasie można przybliżać funkcją eksponencjalną.

Stosują opracowany przez siebie model do obliczania wartości odkształceń cieplnych śruby. Dane zarejestro- wanych przez innych badaczy [1] pokazują, że wspo- mniane wcześniej uproszczenie rozkładu temperatury śrub jest słuszne jedynie w szczególnych przypadkach.

W publikacji [1] autorzy zwrócili uwagę, że, aby model rozkładu temperatury osi napędowej był poprawny, musi on uwzględniać zmienność warunków pracy osi napędowej, tj. zmienność siły obciążającej oraz prędkości ruchu. Nie uwzględnili oni jednak zmiany zakresów ruchu.

Autorzy niniejszej publikacji doszli do wniosku, że niezawodnym sposobem na ustalenie rozkładu temperatury śruby jest bezpośredni pomiar. Przedstawione w zaprezentowanym referacie postępy są kontynuacją prac prowadzonych w tej tematyce przez autorów [3, 4, 11]. W artykule przedstawiono system kompensacji odkształceń cieplnych śrub pociągowych obrabiarek z bezprzewodową transmisją sygnałów zaimplementowany w tokarce typu Avia Turn. Przedstawiono zarejestrowane: rozkłady temperatury śrub tocznych, odchyłki położenia osi napędowych wynikające ze zmiany stanu temperaturowego oraz odchyłki położeń osi napędowych po wprowadzeniu kompensacji.

2. UKŁAD KOMPESANCJI

ODSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH ŚRUB POCIĄGOWYCH

Zasada działania systemu kompensacji odkształceń cieplnych śrub tocznych opiera się na pomiarze temperatur śrub tokarki za pomocą czujników inteligentnych zainstalowanych we wnętrzu śrub. Czujniki wysyłają dane do układu PLC obrabiarki za pomocą bezprzewodowego interfejsu. Zastosowanie opracowanych procedur obliczeniowych [3, 4, 11] pozwala określić wartość po-

prawki redukującej wpływ odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania dla aktualnej wartości położenia osi posuwu. Korekta obliczana jest na podsta- wie aktualnie rejestrowanego stanu temperaturowego osi napędowej. Bezprzewodowa komunikacja pomiędzy obracającą się śrubą a nieruchomym układem sterowania zapewnia podwyższoną trwałość oraz łatwy montaż.

2.1 UKŁAD POMIARU TEMPERATURY ŚRUB TOCZNYCH

Czujniki temperatury IST-AG TSic 716 wklejono za pomocą kleju termoprzewodzącego do otworów wykonanych w poprzek śruby tocznej (rys. 1). Czujniki te posiadają wbudowany przetwornik pomiarowy oraz interfejs cyfrowy. Okablowanie czujników wyprowadzono otworem poosiowym do układu transmisji danych wyko- rzystującego energooszczędny moduł Bluetooth.

Rys. 1. Schemat montażu czujników temperatury w śrubie pociągowej

Rys. 2. Moduł transmisji bezprzewodowej danych temperatu- rowych oraz śruba toczna z miejscem mocowania modułu Łatwy demontaż układu transmisji danych umożliwia złącze elektryczne oraz połączenie gwintowe (Rys. 2).

Ograniczenie poboru mocy poprzez przechodzenie ukła-

(3)

du w stan uśpienia w okresach pomiędzy pomiarami umożliwiło zaimplementowanie zasilania bateryjnego.

2.2 MODEL ODKSZTAŁCEŃ CIEPLNYCH

Wartość odchyłki pozycjonowania powstającej na skutek odkształceń towarzyszących nagrzewaniu się śruby pociągowej osi napędowej zależna jest od rozkładu temperatury wzdłuż śruby tocznej, bieżącego położenia osi posuwu oraz od sposobu ułożyskowania tej osi:

δ = f(x , T(x), U) (1) gdzie:

δ - odchyłka pozycjonowania osi, xN - nominalne położenie osi,

T(x) – rozkład temperatury wzdłuż śruby pociągowej, U – sposób ułożyskowania osi napędowej.

Tokarka AVIA Turn posiada dwie osie posuwu liniowe- go: X i Z, których ułożyskowania zostały napięte wstęp- nie. Model użyty do obliczenia korekty ograniczającej wpływ odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania ma postać [11]:

δ = α θ(x)dx − C α θ(x)dx − C α θ(x)dx (2) gdzie:

α - współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału, z którego wykonano śrubę toczną,

xN – nominalne położenie nakrętki,

L – długość śruby pomiędzy ułożyskowaniami,

θ(x) – nadwyżka temperatury śruby T w stosunku do temperatury początkowej To, aproksymowana na pod- stawie danych z czujników temperatury:

θ(x) = (x) − (3)

Współczynniki C1, C2 zależne są od rodzaju łożysk, siły z jaką napięte zostały ułożyskowania oraz sztywności wzdłużnej śruby. Współczynniki te zostały wyznaczone doświadczalnie [11].

Model korekty dla śruby tocznej napiętej wstępnie wykorzystującej sieci neuronowe opisano w publikacji [3]. Model korekty dla śruby ułożyskowanej w układzie łożysko ustalające łożysko – łożysko pływające przedstawiono w publikacji [11].

3. BADANIA DOŚWIADCZALNE 3.1 UKŁAD POMIARU DOKŁADNOŚCI

POZYCJONOWANIA

Do zweryfikowania dokładności funkcjonowania układu kompensacji wykorzystano interferometr laserowy Re- nishaw XL80. Na zdjęciu (rys.3) przedstawiono interferometr zamocowany w układzie umożliwiającym pomiar dokładności ruchów osi Z. Dla pomiaru dokładności przesuwu osi X układ zestawiono analogicznie.

Na maszynie umieszczono dodatkowo trzy czujniki

rejestrujące zmianę temperatury korpusu obrabiarki (rys. 3). Zainstalowano je odpowiednio w pobliżu ułoży- skowania osi X (czujnik Tk1), ułożyskowania osi Z (czujnik Tk2) oraz w pobliżu głowicy wrzeciona (czujnik Tk3).

Rys. 3. Układ pomiaru temperatury i dokładności pozycjonowania zainstalowany dla osi Z tokarki AVIA TURN

3.2 PRZEBIEG POMIARÓW - OŚ Z

Aby zmierzyć dokładność działania systemu, wykonano cykl doświadczeń, w których oś Z przemieszczała się w zróżnicowanych zakresach, z różnymi prędkościami (tabela 1.). Pomiędzy kolejnymi seriami ruchów cyklicz- nych wykonywano serie pomiarów dokładności pozycjonowania. Seria pomiarowa 0 została wykorzystana w celu usunięcia wpływu błędów geometrii obrabiarki na wyniki pomiarów.

Tabela 1. Przebieg czynności pomiarowych - oś Z

Czynność Opis

Seria pomiarowa 0 Pomiar dokładności pozycjonowania, 42 punkty pomiarowe Seria pomiarowa 1 Pomiar dokładności pozycjono-

wania, 42 punkty pomiarowe

Ruchy cykliczne

Zakres: 550 ÷ 600 mm Prędkość: 30 mm/s Czas trwania: 30 min

Seria pomiarowa 2 Pomiar dokładności pozycjonowania, 42 punkty pomiarowe

Ruchy cykliczne

Seria pomiarowa 4 Pomiar dokładności pozycjono-

(4)

wania, 42 punkty pomiarowe

Ruchy cykliczne

3.3 ZAREJESTROWANE TEMPERATURY – OŚ Z

W czasie przeprowadzanych pomiarów maksymalna zarejestrowana temperatura śruby osi Z (rys. 4) osiągnę- ła wartość 40°C w pobliżu ułożyskowań śruby tocznej umiejscowionych po przeciwnej stronie niż silnik.

W obszarach ruchu nakrętki po śrubie tocznej odnoto- wać można wyraźne maksima temperatury wynikające z wnikania do śruby strumienia ciepła generowanego przez elementy toczne poruszające się w nakrętce. Mak- sima te zmieniają swoje położenie wraz ze zmianą zakre- sów ruchu osi posuwu.

Rys. 4. Temperatury zarejestrowane podczas badań przez czujniki umieszczone w śrubie tocznej osi Z

3.4 ZAREJESTROWANE ODCHYŁKI POZYCJONOWANIA – OŚ Z

Zakres ruchów wykonywanych przez oś Z wynosił ok.

650 mm. Całkowita długość śruby tocznej osi Z wynosiła 1510 mm. Odchyłki pozycjonowania rejestrowano w każdej serii pomiarowej w 7 punktach pomiarowych podczas 3 przejazdów w każdą stronę (42 punkty pomia-

rowe). Rozkład odchyłek przedstawia rys. 5. Wartość maksymalnej zarejestrowanej odchyłki pozycji dla osi Z wyniosła 100 µm.

Rys. 5. Odchyłki pozycjonowania osi Z bez kompensacji.

Zastosowanie układu kompensacji odkształceń cieplnych pozwoliło znacznie ograniczyć wpływ odkształceń cieplnych osi na dokładność pozycjonowania. W przeprowa- dzonych pomiarach maksymalną odchyłkę wynoszącą ok. 100 µm zredukowano do wartości poniżej 10 µm.

Wykres odchyłek po kompensacji przedstawia rys. 6.

Rys. 6. Odchyłki pozycjonowania osi Z z kompensacją

3.5 PRZEBIEG POMIARÓW - OŚ X

Analogiczny cykl doświadczeń przeprowadzono także dla osi X tokarki. Całkowita długość śruby tocznej osi X wynosiła 910 mm. Zakres prędkości i zakresów ruchów wykonywanych podczas pomiarów przestawiono w tabeli 2. Seria pomiarowa 0, została wykonana w celu usunięcia wpływu błędów geometrii obrabiarki na wyniki pomiarów.

Tabela 2. Przebieg czynności pomiarowych - oś X

Czynność Opis

Seria pomiarowa 0 Pomiar dokładności pozycjonowania, 54 punkty pomiarowe Seria pomiarowa 1 Pomiar dokładności pozycjonowa-

(5)

nia, 54 punkty pomiarowe

Ruchy cykliczne

Zakres ruchów: 10 ÷ 80 mm Prędkość: 40 mm/s

Czas trwania: 15 min

Seria pomiarowa 2 Pomiar dokładności pozycjonowania, 54 punkty pomiarowe

Ruchy cykliczne

3.6 ZAREJESTROWANE TEMPERATURY – OŚ X

Na rys. 7 przedstawiono temperatury zarejestrowane w czasie wykonywania pomiarów dokładności pozycjonowania dla osi X. Maksymalna zarejestrowana temperatura dla śruby tocznej tej osi osiągnęła wartość ok. 50°C w pobliżu ułożyskowań śruby tocznej umiejscowionych po przeciwnej stronie niż silnik.

Rys. 7. Temperatury zarejestrowane podczas badań przez czujniki umieszczone w śrubie tocznej osi X

3.7 ZAREJESTROWANE ODCHYŁKI POZYCJONOWANIA – OŚ Z

Zakres ruchów wykonywanych przez oś X wynosił ok. 300 mm. Odchyłki pozycjonowania rejestrowano w każdej serii pomiarowej w 9 punktach pomiarowych, w 3 przejazdach w każdą stronę (54 punkty pomiarowe).

Rys. 8 przedstawia zarejestrowane odchyłki pozycjonowania dla osi X. Aby zapewnić czytelność tego rysunku, przedstawiono na nim wyłącznie dane z pierwszego przejazdu w każdej z serii. Maksymalna zarejestrowana odchyłka pozycjonowania wynosiła ok. 35 µm. A maksymalna rozpiętość odchyłek wynosiła 45 µm.

Rys. 8. Odchyłki pozycjonowania osi X bez kompensacji Odchyłki pozycjonowania po zastosowaniu układu kompensacji odkształceń cieplnych przedstawia rys. 9.

Wprowadzenie kompensacji pozwoliło ograniczyć wpływ odkształceń cieplnych osi na dokładność pozycjonowania z poziomu ok. 35 µm do wartości poniżej 5 µm.

(6)

Rys. 9. Odchyłki pozycjonowania osi X z kompensacją

4. WNIOSKI

W artykule zaprezentowano bezprzewodowy układ kompensacji odkształceń cieplnych śrub pociągowych obrabiarek CNC. Układ ten cechuje się wygodnym

procesem montażu. Zademonstrowano, iż użycie opracowanego układu kompensacji pozwoliło ograniczyć rozpię- tość wartość odchyłek pozycjonowania wynikających z odkształceń cieplnych dla osi Z z wartości ok. 100 µm do poziomu ok. 18 µm, przy zakresie ruchu 650 mm. Zaś dla osi X pozwoliło graniczyć wartość rozpiętości odchy- łek pozycjonowania wynikających z odkształceń cieplnych z poziomu ok. 45 µm do poziomu ok. 7 µm, przy zakresie ruchu 300 mm.

Wykazano doświadczalnie, że w przypadku osi posuwów maszyn obróbczych rozkład temperatury śrub tocznych wzdłuż ich osi może być daleki od jednolitego. Pokaza- no, że w zakresie ruchu nakrętki po śrubie może być obserwowane lokalne maksimum rozkładu temperatury wynikające z wnikania do śruby strumienia ciepła po- wstającego w wyniku tarcia elementów tocznych w nakrętce.

Literatura

1. Jin C., Wu B., Hu Y.: Temperature distribution and thermal error prediction of a CNC feed system under varying operating conditions. „International Journal of Advanced Manufacturing Technology” 2016, Vol. 77, p.

1979–1992.

2. Li Z., Fan K., Yang J., Zhang Y.: Time-varying positioning error modeling and compensation for ball screw systems based on simulation and experimental analysis „International Journal of Advanced Manufacturing Technology” 2014, Vol. 73, p. 773–782.

3. Pajor M., Zapłata J.: Intelligent machine tool: a thermal diagnostic system for a CNC pretensioned ball screw.

„Solid State Phenomena” 2014, Vol. 220-221, p. 491 – 496.

4. Pajor M., Zapłata J.: Supervising and compensation of thermal error of CNC feed ball screw. „Diagnostyka”

2013, Vol. 14, p. 37-42.

5. Ramesh R., Mannan M.A., Poo A.N.: Error compensation in machine tools: a review. P.2. Thermal errors.

„International Journal of Machine Tools & Manufacture 2000, Vol. 40, p. 1257–1284.

6. Shi H., Zhang D., Yang J., Ma C., Mei X., Gong G.: Experiment-based thermal error modeling method for dual ball screw feed system of precision machine tool. „International Journal of Advanced Manufacturing Technolo- gy” 2016, Vol. 82, p. 1693–1705.

7. Shi H., MaC., Yang J., Zhao L., Mei X., Gong G.: Investigation into effect of thermal expansion on thermally induced error of ball screw feed drive system of precision machine tools. „International Journal of Machine Tools

& Manufacture” 2015, Vol. 97, p. 60–71.

8. Xu Z.Z., Choi C., Liang L.J., Li D.Y., Lyu S.K.: Study on a Novel Thermal Error Compensation System for High-Precision Ball Screw Feed Drive (1std Report: Model, Calculation and Simulation).„International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing” 2015, Vol. 16, No. 10, p. 2139-2145

9. Xu Z.Z., Liu X.J., Lyu S.K.: Study on Thermal Behavior Analysis of Nut/Shaft Air Cooling Ball Screw for High-Precision Feed Drive. „International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing” 2014, Vol. 15, No. 1, p. 123-128.

(7)

10. Xu Z.Z., Liu X.J., Lyu S.K.: Study on Positioning Accuracy of Nut/Shaft Air Cooling Ball Screw for High precision Feed Drive. „International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing” 2014

p. 111-116.

11. Zapłata, J.: System kompensacji odkształceń cieplnych toc rycznie. Szczecin: Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny,

Ten artykuł dostępny jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska.

Pewne prawa zastrzeżone na rzecz autorów.

Treść licencji jest dostępna na stronie http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl/

Study on Positioning Accuracy of Nut/Shaft Air Cooling Ball Screw for High precision Feed Drive. „International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing” 2014

Zapłata, J.: System kompensacji odkształceń cieplnych tocznych śrub pociągowych obrabiarki sterowanej num Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, 2014

Pewne prawa zastrzeżone na rzecz autorów.

Study on Positioning Accuracy of Nut/Shaft Air Cooling Ball Screw for High- precision Feed Drive. „International Journal Of Precision Engineering And Manufacturing” 2014, Vol. 15, No. 1,

znych śrub pociągowych obrabiarki sterowanej nume-