Спор о том, что является более предпочтительным для измерения положения на станках с УЧПУ, линейные датчики или вращающиеся (круговые) датчики совместно с шарико-винтовыми передачами (ШВП), сейчас вновь возрождается. В какой-то мере это является последствием общего спада в отрасли машиностроения, но также на это оказывают влияние изменения в технологии приводов подач станков с ЧПУ.
После начала общего спада в машиностроении появились сомнения в правильности промышленной стратегии за последние несколько лет, и в связи с этим возникла идея экономии на измерительных системах, не включая в комплектацию недорогих станков с ЧПУ линейные датчики, а предлагая их в качестве опции для улучшения точности.
Тенденция к осям с цифровым управлением.
Значительная часть новых серводвигателей сейчас оснащаются вращающимися датчиками (круговыми датчиками положения), которые в общем можно использовать вместе с шариковым винтом для позиционного контроля. В связи с этим отпадает проблема выбора между линейным датчиком и вращающимся датчиком в сочетании с шариковым винтом по той причине, что комплект круговой датчик+ШВП уже существует на станке априори.
С другой стороны, если станок с ЧПУ дополнительно оснащать линейными датчиками, это получается намного дороже, чем приобретать станок с уже установленными линейными датчиками.
Система механики приводов подачи.
Хотя конструкции токарных станков с ЧПУ или фрезерных станков с ЧПУ довольно разнообразны, механическая конфигурация привода подач в основном стандартизирована (рис.1). Почти во всех случаях используется ШВП, которая преобразует вращательное движение серводвигателя в линейное движение скольжения. Шариковый винт обычно закрепляется в осевом направлении на одном конце с угловым контактным шарикоподшипником, который устраняет осевые силы смещения действующие на суппорт. Серводвигатель и шариковый винт обычно соединены непосредственно. Зубчато-ременные привода также широко используются на станках с ЧПУ, чтобы обеспечить компактность конструкции и лучше адаптироваться к скорости.
Цепь позиционного управления посредством вращающегося датчика и шарикового винта включает в себя только серводвигатель с установленным на нем круговым датчиком (рис.2).
Другими словами, фактически не осуществляется позиционное управление суппортом, потому что контролируется только ротор серводвигателя. Для экстраполяции позиции суппорта механическая система между серводвигателем и суппорта должна иметь известный режим перемещения (жесткость, силы трения и т.д.). Цепь позиционного управления посредством линейного датчика, с другой стороны, включает в себя всю систему привода подачи. Линейный датчик на суппорте определяет ошибки трансмиссии, которые компенсируются контрольной установкой станка.
Рис.1
Рис.2
Расхождения в терминологии.
Для обозначения этих двух методов контроля положения на токарных станках с ЧПУ или фрезерных станках с ЧПУ используются разные термины. В Англии и Германии их обозначают как «прямое» и «непрямое» измерение, а в Японии, Китае и Тайване используются термины «полузамкнутая цепь управления» и «замкнутая цепь управления», что представляется более правильным.
Кинематическая ошибка.
Кинематические ошибки при позиционном измерении посредством вращающего датчика и ШВП происходит в основном из-за ошибок в шаге винта. Эта ошибка непосредственно влияет на результат измерения, потому что шаг шарикового винта используется в качестве стандарта для линейного измерения.
Ошибка реверсирования.
Эта ошибка возникает при позиционировании по разным направлениям. Причинами являются зазор и эластичность в сочетании с силой трения, а также так называемая потеря шага [1], которая происходит во время перемещения шариков при позиционировании шарико-винтовой передачи с предварительным натягом в двух точках, может привести к ошибке реверсирования величиной от 1 до 100 μм.
Компенсация ошибки.
Большинство систем управления станков с ЧПУ могут компенсировать ошибку шага и реверсивную ошибку, тем не менее, для определения компенсационных значений необходимо произвести тщательные измерения посредством соответствующих измерительных приборов, таких как интерферометры и сетчатые датчики. В дополнение, ошибка реверсирования часто бывает нестабильной и должна быть калибрована заново (рис.3).
Причины такой нестабильности заключаются в функционировании шариковых винтов и изменениях в силах трения направляющих. Зубчатые ременные привода также могут вызывать значительные ошибки позиционирования в течение времени.
Рис.3
Деформация приводных механизмов.
Деформацию приводных механизмов станков с ЧПУ обычно вызывают силы инерции, образующиеся вследствие ускорения суппорта, сил резания, и трения в направляющих. Они могут вызывать смещение положения оси суппорта по отношению, к положению, измеряемому при ШВП и вращающегося датчика.
Средняя осевая жесткость приводного механизма как показано на рис.1 находится в диапазоне 100-200 N/mм (при расстоянии между шариковой гайкой и закрепленным подшипником 0.5 м и диаметром шарикового винта 40 мм).
Силы ускорения.
Масса стандартного суппорта станка с ЧПУ около 500 кг и среднее ускорение 2 м/с2 приводят к деформации 5….10 mм, которую не определяет вращающийся датчик с шариковым винтом.
Сегодняшняя тенденция в промышленности к увеличению ускорения неизбежно приводит увеличению деформации.
Силы резания.
Силы резания обычно находятся в пределах диапазона кN, но их влияние распространяется не только на привод подачи, но и также на всю структуру станка между деталью и инструментом.
Таким образом, деформация привода подачи составляет только небольшую долю в общей деформации станка. Линейный датчик может определять и корректировать только эту небольшую часть общей деформации.
Силы трения.
Силы трения в направляющих составляют между 1% и 2% веса для роликовых направляющих и 3-12% для направляющих скольжения [2]. Таким образом, вес 5000Nприводит к деформации привода подачи 0.25…6mм.
Фрезерный станок с ЧПУ. Круговой тест.
Типичный пример ошибок, зависящих от ускорения, и скорости может быть приведен при помощи циркулярного теста интерполяции на вертикальном обрабатывающем центре с ЧПУ (рис.4). При контроле позиционирования посредством вращающегося датчика и шарикового винта, окружности при более высоких скоростях значительно отличаются от идеальной окружности. При использовании линейных датчиков точность контура окружности значительно повышается.
Рис.4
Ошибка позиционирования вследствие расширения ШВП.
Ошибка позиционирования вследствие термального расширения шарикового винта представляет собой наибольшую проблему при позиционном измерении посредством вращающегося датчика и шарикового винта. Это происходит оттого, что шариковый винт используется в двух целях: с одной стороны, он должен быть как можно более жестким для того, чтобы преобразовать, вращательное движение серводвигателя в линейное движение подачи. С другой стороны, он должен выступать в качестве стандарта измерения; но жесткость и термическое расширение зависят от предварительного натяга шариковой гайки и закрепленного подшипника.
Осевая жесткость и момент трения примерно пропорциональны предварительному натягу.
Рис. 5
Трение в шариковой гайке.
Наибольшая доля трения в системе привода подачи производится в шариковой гайке вследствие комплексной кинематики, вращающейся шариковой гайки. Хотя с первого взгляда шарики только крутятся, фактически они подвержены трению. Кроме того, оказывает влияние проскальзывание, которое происходит из-за кинематических скоростей.
Трение между шариками усиливается сильным давлением на поверхность. Как и в каждом угловом контактном шарикоподшипнике, трение возникает оттого, что контактный диаметр расположен не под прямым углом к оси вращения шариков. Каждый шарик т.о. вращается вокруг своего контактного диаметра. Недавние исследования также показали, что, шарики могут двигаться в резьбе из-за компонента проскальзывания вследствие шага резьбы.[3].
Система циркуляции является особой проблемной зоной для шариковых винтов. При входе и выходе в канал циркуляции движение шарика полностью изменяется. Энергия вращения шариков, которые при быстром перемещении вращаются со скоростью примерно 8000 об/мин, должна быть соответственно запущена и остановлена. В отличие от зоны предварительного натяга резьбы, в зоне рециркуляции шарики находятся не под давлением. Шарики обычно скапливаются в канале рециркуляции под воздействием энергии. Если не прилагать усилия для проталкивания шариков в резьбу на конце канала, то он начинает засоряться, что приводит к заклиниванию шарико-винтовой передачи.
Момент трения отшлифованного прецизионного вращающегося шарикового винта с диаметром 40 мм и шагом 10 мм был измерен Гольцем [4.]При различных силах предварительного натяжения и разных скоростях вращения (рис.6) характеристика момента трения Штрайбека явно видна. Это подтверждает большое количество контактного трения и смешанного трения при низких скоростях в шариковых винтах. Вязкостное трение преобладает при высоких скоростях.
Интересно отметить, что для обычного шарикового винта нормальная скорость подачи при обработке ниже той, при которой момент трения минимален. Скорость при быстром перемещении наоборот, намного её превышает.
Таким образом, скорость подачи, при которой шариковый винт работает с оптимальной эффективностью, достигается редко. Момент трения только немного зависит от осевой нагрузки на шариковую гайку.[4]
Рис.6
Теплота трения, производимая в шариковой гайке.
С обычным предварительным натяжением 3кN и учитывая отсутствующий скребок, это может привести к отсутствию нагрузки или моменту трения 0.5-1 Nм. Это означает, что при быстром перемещении при скорости шарикового винта около 2000 об/мин, примерно 100-200 Вт теплоты трения производится в шариковой гайке.
Смещение позиционных значений, при применении кругового датчика и ШВП на станке с ЧПУ.
Простой эксперимент (рис.7) показывает влияние теплоты трения на позиционирование обрабатывающего центра. На большом обрабатывающем центре, оснащенном линейными и вращающимися датчиками, 5 позиций на оси Х были повторно измерены с помощью контактного щупа и соответствующие фактические значения вращающегося датчика и линейного датчика в точках контакта были записаны. После замера всех пяти позиций, ось была перемещена по всему диапазону в двух циклах при быстром перемещении. В общем, 120 из этих циклов было произведено за 90 мин.
Рис. 7
Фаза разогрева.
Смещение позиций контактного щупа по отношению к начальному значению просто указывает на термальный рост шарикового винта (рис.8). когда позиции измеряются при помощи вращающегося датчика и шпинделя, самая дальняя от закрепленного подшипника позиция (Х=_53мм) смещается примерно на 250mм. Интересно отметить, что смещение увеличивается очень быстро непосредственно после включения. Любое изменение средней скорости подачи во время операции обработки тем самым немедленно влияет на точность позиционирования. Подобные результаты были опубликованы Шмидтом. [5]
Рис. 8
Фаза охлаждения.
На рис.9 показан обратный эффект. Тот же самый обрабатывающий центр был остановлен во время серийного производства, небольших стальных деталей и одна рабочая позиция была измерена.
Смещение позиции при измерении с помощью вращающегося датчика и шарикового винта на 30 mм за 30 минут опять явственно видно.
Рис.9
Измерение точности позиционирования в соответствии с ISO230.
ISO230/DIS230-3 описывает способы измерения для термальных смещений в инструментах станка с ЧПУ.
Для измерения смещения линейных осей он предполагает повторное перемещение по двум точкам в конечных позициях диапазона перемещения и измерение смещения позиции от исходного значения.
В сущности, эта процедура является широко использующимся тестом позиционирования, как, например в ISO230-2, но с небольшим количеством точек измерения и множеством повторений.
На рис.10 показан результат такого измерения по отношению к начальному значению на вертикальном обрабатывающем центре, оснащенном линейными датчиками.
Ось Х длиной 1м была перемещена по трем позициям со скоростью 10 м/мин в целом 100 раз.
Сначала позиционный контроль был посредством вращающегося датчика и шарикового винта. Во втором эксперименте позиционный контроль осуществлялся при помощи линейных датчиков. Компаратором для измерения являлся VМ 101 (изготовитель HEIDENHAIN). Несмотря на умеренную скорость подачи 10м/мин (быстрое перемещение 24 м/мин), смещение позиции, находящейся дальше всего от подшипника, составило более 110 mм в течение 40 мин. Уже после нескольких циклов становится очевидным значительное увеличение шарикового винта.
Рис.10
Отсутствие смещения на станках с ЧПУ при измерении посредством линейных датчиков.
Точность позиционирования, таким образом, зависит непосредственно от количества повторений, особенно после первых нескольких повторений. Измерение позиций при помощи линейного датчика смещения не показывает.
Рис.11
Серийное производство.
Следующий эксперимент показывает влияние термального роста в серийном производстве с фиксированными позициями зажима.
Восемь деталей 70х70 мм были закреплены на вертикальном обрабатывающем центре с УЧПУ (рис.11). Четыре паза и два радиуса были обработаны с использованием 4 инструментов с врезной подачей 1 мм по оси Z (рис 12).
Рис.12
После 6-ти минутной обработки смены деталей не произошло. Подача по оси Z увеличилась на 1 мм и операция повторилась. В результате термального расширения шарикового винта на всех деталях просматривается ступенчатый контур по левой стороне, особенно он заметен на самой левой детали.
Детали справа были ровными, потому что каждое смещение в положительном направлении оси Х сопровождается перемещением предыдущего шага. В принципе, такой же эффект можно наблюдать по оси У, но он менее выражен. По оси Х сравнительное измерение ступенчатого контура показывает смещение на примерно 90 mм с временной константой термального расширения немного меньше часа (рис 13). Если на предварительно обработанных деталях с критическими размерами нужно провести дополнительную работу, данные станка должны постоянно проверяться и корректироваться.
Рис.13
На станке с ЧПУ термальное равновесие достигается через час, но после прерывания обработки оно начинает сдвигаться в обратном направлении. При изменении программы детали и вместе с тем среднего диапазона подачи, до достижения термального равновесия шарикового винта требуется 1 час.
Тот же эксперимент был проведен с линейными датчиками. Результаты обработки не показали никакого смещения.
В настоящее время обсуждаются различные меры для устранения ошибок позиционирования на станке с ЧПУ вследствие расширения шарикового винта. Некоторые производителе предлагают полые шариковые винты, которые проводят СОЖ для предотвращения термального расширения шарикового винта.
Циркуляция СОЖ через вращающиеся шариковые винты требует наличия вращающихся проходных втулок рядом с шарикоподшипниками. Кроме очевидных проблем уплотнения, этот метод предполагает возможность контролирования температуры СОЖ, что обычно не представляется возможным. Также снижается жесткость шарикового винта в направлении движения. Предполагается, что этот метод дороже, чем использование линейных датчиков.
В данное время проводится изучение компенсации термальной деформации на станках с ЧПУ при помощи аналитических моделей, нейронных сетей и эмпирических уравнений. В большинстве случаев это изучение сфокусировано главным образом на термальном расширении, вызванном главным шпинделем.
Для компенсации расширения шарикового винта температура должна быть известна как функция позиции, потому что в некоторых программах деталей термальное расширение может происходить локально (рис.14). Прямое измерение температуры вращающегося шарикового винта, тем не менее, довольно дорого. Возможность сделать вывод из расширения шарикового винта используя температурные данные шариковой гайки или подшипника, ограничена, частично из-за того, что входные параметры со временем изменяются.
Рис.14
Использование подшипников на обоих концах шарикового винта станка с ЧПУ значительно увеличивают осевую жесткость привода подачи, но тем не менее, это вряд ли может предотвратить термальное расширение шарикового винта. Для винта диаметром 40 мм, сила подшипников должна быть примерно 2,6 кN/К для предотвращения термального расширения. При обычном увеличении температуры на более чем 10К, потребуется подшипник силой более 26 кNдля предотвращения деформации.
Заключение.
Первичной проблемой, которая возникает при позиционном измерении посредством вращающегося датчика и шарикового винта, является термальное расширение шарикового винта. При обычных временных константах 1-2 часа. Термальное расширение вызывает ошибку позиционирования в пределах 0,1мм, в зависимости от программы детали. После каждой новой программы детали для шарикового винта требуется примерно 1 час для восстановления стабильного термального состояния. Это также применимо при перерывах в обработке. Правило термального расширения таково, что при всей длине холодного шарикового винта длиной 1м, винт увеличивается примерно 0.5-1mм после каждого двойного хода. Это расширение увеличивается в пределах временной константы.
Так как требования к точности и скорости инструмента увеличиваются, то роль линейных датчиков для позиционного измерения так же становится более важным. Это должно приниматься во внимание при выборе подходящей системы обратной связи на станках с ЧПУ.
РЗВО. Продажа токарных станков. Январь 2013 г.
Литература:
- Schröder Wilhelm, Feinpositionierung mit Kugelgewindetrieben, Fortschritts- bericht VDI Reihe 1 Nr. 277, Düsseldorf: VDI Verlag 1997
- VDW-Bericht 0153, "Untersuchung von Wälzführungen zur Verbesserung des statischen und dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen"
- Weule Hartmut, Rosum Jens, Optimization of the friction behaviour of ball screw drives through WC/C coated roller bodies, Production Engineering Vol. 1/1 (1993)
- Golz, Hans Ulrich, Analyse,Modellbildung und Optimierung des Betriebsver- haltens von Kugelgewindetrieben, Dissertation Uni Karlsruhe, 1990
