Повышение точности обработки заготовок на станках с ЧПУ

© Э.М. Бсрлинср, 2012

УДК 621.9.06 Э.М. Берлинер

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК НА СТАНКАХ С ЧПУ

Рассмотрены последние достижения в станкостроении, позволяющие повысить точность обработки на станках с ЧПУ.

Ключевые слова: оптимизация, станок с ЧПУ, точность обработки, траектория движения инструмента.

Увеличение мощности и скорости современных машин и связанная с этим необходимость в повышении точности их деталей способствуют росту доли прецизионного оборудования на машиностроительных заводах. Обработку высокоточных деталей сложной геометрической формы все в больших масштабах выполняют на станках с ЧПУ. По сравнению с обычными металлорежущими станками они обеспечивают более высокую точность обработки. По данным Минстанкопро-ма, объем специальной оснастки при использовании станков с ЧПУ снижается вдвое, а брак — на 50 % [1]. На 50 % снижаются расходы на хранение деталей и затраты, связанные с доводкой, контролем и сборкой крупногабаритных копиров, шаблонов, штампов.

Наибольший экономический эффект достигается при обработке на станках с ЧПУ сложных деталей. Так, если при фрезеровании прямолинейных контуров станки с ЧПУ дают снижение трудоемкости всего на 20 — 30 %, то при фрезеровании фасонных контуров — в 2 — 3 раза, а при обработке пространственно-сложных деталей — в 10 и более раз.

Если еще сравнительно недавно значительным достижением считалась обработка заготовок на токарных станках с точностью до сотых долей миллиметра, то сейчас выпускаются станки с

ЧПУ, обеспечивающие микрометрическую точность с тактом управления приводами 1 мс. Расчеты системы ЧПУ с дискретой порядка тысячных долей нанометра позволяет технология 80-bit NANOFP с 80-ти разрядной плавающей точкой [2]. Высокоточные станки с ЧПУ оснащают датчиком обратной связи с нанометровым разрешением в составе замкнутого контура системы управления. В качестве примера приведем обрабатывающий центр FANUC ROBODRILL серии a-iE. Он представляет собой универсальный высокоскоростной роботизированный сверлиль-но-фрезерный станок с системой ЧПУ на базе технологии искусственного интеллекта [3]. Эффективную и точную обработку обеспечивает новое пятое поколение станков с ЧПУ NEF. Они снабжены экраном 19», 3D-матобеспечение Software Siemens 840D solutionline с ShopTurn [4]. Большое количество опций, например станка DMG NEF 600, создают индивидуальную конфигурацию станка, обеспечивают увеличение производительности производства.

Более высокую технологическую производительность и надежность станков с ЧПУ по сравнению с традиционными металлорежущими станками обеспечивает более совершенная конструкция и жесткость, надежное функционирование большого числа различных ме-

ханических, гидравлических, пневматических, электронных устройств и микросхем. Например, для увеличения жесткости и виброустойчивости станки NEF 400/ NEF 600 имеют массивную литую станину, интегрированный шпиндель-двигатель, который обеспечивает высокий крутящий момент и высокую точность, столы коробчатой формы с продольными и поперечными ребрами, предварительный натяг позволяет повысить в 2...3 раза жесткость узла. Биение шпинделя не превышает нескольких микрон. Револьверная головка оборудована специальным датчиком, позволяющим измерять наружные и внутренние диаметры заготовок. Заготовка может одновременно обтачиваться с разных сторон с помощью трех инструментов. Компактные размеры позволяют устанавливать станок даже в небольших производственных помещениях.

Более низкий коэффициент трения, который практически не зависит от скорости движения, и более высокая долговечность станка достигаются за счет применения гидростатических направляющих, шариковых и гидростатических винтовых передач, беззазорных редукторов с короткими кинематическими цепями и т.д. Для повышения точности станков с ЧПУ увеличивают жесткость элементов станка: шпиндельного узла, опор ходового винта, привода подач, применяют новые типы направляющих, обеспечивают снижение потерь на трение. Например, токарные станки с ЧПУ серии SK (система ЧПУ Siemens 802D) имеют новые типы направляющих, снижающих потери на трение, более жесткий шпиндельный узел, точные шариковинтовые пары, литые переднюю, заднюю бабки и суппорт, а также цельнолитую станину из мелкозернистого чугуна. Точный и жесткий шпиндель имеет повышенную износостойкостью шеек, посадочных и базирующих поверхностей.

Точность угловых перемещений поворотного стола и линейных перемещений, рабочих органов станка определяется не только системой управления, но и конструкцией, точностью изготовления соответствующих его элементов.

Для уменьшения погрешностей обработки в силу температурных деформаций деталей станка, прежде, чем начать обработку заготовки станок предварительно разогревают. В процессе работы в механизмах станка соблюдают постоянный температурный режим. В привод подач вводят коррекцию на основе сигналов, поступающих с датчиков температур.

При проверке точности станков контролируют точность геометрических форм и относительного положения опорных поверхностей, базирующих заготовку и инструмент; точность движений по направляющим рабочих органов станка; точность расположения осей вращения и траекторий перемещений рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент, относительно друг друга и относительно базирующих поверхностей; точность обработанных поверхностей образца; шероховатость обработанных поверхностей образца. Рекомендуется повторить проверку точности после установки станка (до начала эксплуатации) и сравнить полученные данные с указанными в акте приемки. В акте приемки станка работники ОТК проставляют фактические значения проверенных параметров.

Проверка точности станка с ЧПУ

Для станков с ЧПУ разработаны различные методы контроля их точности. Они приведены в технических условиях на станок. Контроль металлорежущего станка опирается на статическую проверку его геометрии в не-нагруженном состоянии, точность позиционирования, на измерение раз-

броса размеров деталей, обработанных на станке.

Точность станка с ЧПУ, стабильность его работы и устройства ЧПУ контролируют по результатам проверки непрерывной работы станка в течение заданного времени в ненагруженном состоянии по заданной тест-программе. Проверяют такие параметры, как точность линейного и углового позиционирования рабочих органов, стабильность выхода рабочих органов в исходное положение, т. е. многократную повторяемость прихода рабочих органов в одно и то же положение, стабильность положения инструментов после автоматической смены, наличие зоны нечувствительности (отставание в смещении рабочих органов при смене направления движения), точность обработки круга в режиме круговой интерполяции. Точность станков в ненагруженном состоянии называют геометрической.

Современные системы ЧПУ позволяют выполнить автоматический контроль всех систем станка с помощью диагностических программ и компенсировать систематические погрешности приводов подач. В процессе контроля точности станка используют встроенную в станок ЭВМ. Оперативную информацию о состоянии как отдельных механизмов и блоков, так и станка с ЧПУ в целом обеспечивают проверки на заводе-изготовителе.

Комплексную проверку работы станка с ЧПУ проводят путем обработки заданной детали (или нескольких различных деталей) на определенных режимах резания. Ее выполняют при наиболее нагруженном режиме работы станка, причем выполняют проходы, как против часовой стрелки, так и по часовой стрелке с регламентацией поручаемых размеров. Стабильность выходных параметров обработки относится к числу важнейших показателей целесообразности применения станка.

Компенсация погрешностей в работе станка с ЧПУ и настройки инструмента

Точность обработки на станке с ЧПУ можно поддерживать ее в заданном пределе в процессе эксплуатации путем периодических измерений погрешностей станка. Например, определяют погрешности позиционирования рабочих органов станка при его работе вхолостую. Комплексный анализ рабочих показателей станка с ЧПУ выполняют по результатам обработки одной или нескольких заготовок на различных режимах резания.

Погрешности в работе станка с ЧПУ возникают вследствие действия различных факторов: сбоев в точной настройке или калибровке станка, появления допустимых и недопустимых повреждений в станке или в самом устройстве ЧПУ. Случайная составляющая погрешностей обработки обусловленных таким факторами, как колебания припуска на заготовке, твердости обрабатываемого материала, затупление режущего инструмента.

Разработано несколько методов компенсации погрешностей как самого станка с ЧПУ, так и погрешностей, возникающих в процессе обработки деталей. Они позволяют повысить начальную точность станка с ЧПУ. Величина компенсации систематической составляющей погрешностей может быть получена аналитическими расчетами или на основе экспериментальных исследований следующих параметров:

• упругих деформаций технологической системы и люфта в приводе подач;

• погрешностей размеров и формы обрабатываемой заготовки и инструмента;

• погрешностей, возникающие в процессе резания: вибраций, тепловых деформаций системы станок-приспособление-инструмент-деталь;

• погрешностей, вызываемых изменением снимаемого припуска, твердости обрабатываемого материала.

Компенсацию упругих и тепловых деформаций ходового винта, накопленной неточности шага, возможных зазоров в приводе подачи проводят с помощью постоянно действующих программ корректировки, которые заложены в память устройства ЧПУ. Компенсировать погрешности обработки позволяют адаптивные системы управления. Возможность компенсации погрешностей станка с ЧПУ приводит не только к существенному повышению его начальной точности, но и позволяет поддерживать его точность в заданном пределе в процессе эксплуатации.

Повысить точность обработки позволяют системы контроля и автоматической коррекции погрешностей по-

ложения режущей кромки инструмента. Компенсация погрешностей настройки инструмента может выполняться путем ввода с пульта устройства ЧПУ коррекций радиуса, длины и положения инструмента. Разработаны системы контроля положения режущей кромки инструмента. С помощью функции измерения тактильного устройства, например Touch Setter, осуществляют контакт режущей кромки инструмента с датчиком, установленным в станке. ЧПУ сравнивает установленное положение датчика и фактическую позицию контакта. На основе результатов сравнения ЧПУ автоматически вычисляет и устанавливает данные коррекции на конкретный инструмент [4]. Для контроля траектории движения инструмента на некоторых станках используют лазерные измерительные системы.

1. Станки ЧПУ (экономическая эффективность применения станков с ЧПУ). http://www.125130.ru/index. php?categoryid=5 3&p2_articleid=2335.

2. Технология 80-bit NANOFP. http:// iadt.siemens.ru/products/motors_drives/ cnc_new/ in_func/1880.

3. FANUC ROBODRILL q_IEseries. http:// machinetools. com.au/amtshowroom/milling/ milling10_eseries.PDF.

4. NEF 400/ NEF 600: Повышение производительности с интегрированным шпиндель-двигателем. http://ru.dmg.com/query/i nter-

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

net/v3/pdl.nsf/9d6566669cfed166c12574a3 003547cf/$file/ptgru10_nef400600.pdf.

5. Измерение с использованием тактильного устройства настройки (Touch Setter) http://www.alfacom.ru/index. php/touch-setter.

6. Рыбалко А.П., Рыбалко С.А. Адаптивные диагностические и программные возможности универсальной системы ЧПУ FlexNC. http://cnc.ru/download/flexnc/FlexNC-avtprom_2010-05_pages-21-26_ext.pdf.

7. Системы ЧПУ Mitsubishi Electric технологии будущего сегодня. http://mirprom.ru/ Pubs. aspx?id=8786. гтттг?

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Берлинер Э.М. —доктор технических наук, профессор, e-mail: eberliner@yandex.ru, Московский государственный индустриальный университет

А