Линейные энкодеры помогают устранить ошибки, связанные с тепловым дрейфом. ||Доктор Йенс Кумметц, менеджер по исследованиям и разработкам, ХАЙДЕНХАЙН, Траунройт, Германия
Термическая точность станков становится все более важной, учитывая сильно меняющиеся условия эксплуатации на производстве. Особенно при небольших партиях продукции, требующих постоянно меняющихся задач механической обработки, невозможно достичь термически стабильного состояния. В то же время точность первой заготовки становится очень важной для прибыльности производственных заказов. Постоянные изменения между операциями сверления, черновой обработки и чистовой обработки вносят свой вклад в колебания теплового режима станка. Во время операций черновой обработки скорость фрезерования увеличивается до значений выше 80%, тогда как во время операций чистовой обработки достигаются значения ниже 10%. Все более высокие ускорения и скорости подачи вызывают нагрев шарикового винта с рециркуляцией в приводах линейной подачи. Таким образом, измерение положения в приводах подачи играет центральную роль в стабилизации тепловых характеристик станков.
Термическая стабильность станков
Решения, позволяющие избежать термически обусловленных отклонений размеров заготовок, стали как никогда важными для станкостроительной промышленности. Активное охлаждение, симметрично спроектированные конструкции машин и измерения температуры уже стали обычной практикой.
Тепловой дрейф в первую очередь вызван вращающимися шариковыми винтами на осях подачи. Распределение температуры вдоль шарикового винта может быстро изменяться в результате скоростей подачи и движущих сил. На станках без линейных датчиков результирующие изменения длины (обычно: 100 мкм/м в течение 20 мин.) могут привести к значительным дефектам в обрабатываемой детали.
Измерение положения на приводах подачи
Положение оси подачи с ЧПУ в принципе может быть измерено с помощью шарикового винта в сочетании с поворотным датчиком или с помощью линейного датчика.
Если положение ползуна определяется по шагу подающего винта и поворотному датчику, то шариковый винт должен выполнять две задачи: как приводная система он должен передавать большие усилия, но как измерительное устройство он должен обеспечивать высокоточные значения и воспроизводить шаг винта. Однако контур управления положением включает в себя только поворотный энкодер.
Поскольку изменения в механике вождения, вызванные износом или температурой, не могут быть компенсированы, это называется режимом полузамкнутого контура. Ошибки позиционирования приводов становятся неизбежными и могут оказать значительное влияние на качество обрабатываемых деталей.
Если для измерения положения ползуна используется линейный энкодер, контур управления положением включает в себя полную механику подачи. Поэтому это называется работой с замкнутым контуром. Люфт и неточности в передаточных элементах машины не влияют на точность измерения положения. Точность измерения зависит почти исключительно от точности и места установки линейного энкодера.
Это основное соображение применимо как к линейным осям, так и к осям вращения, где положение может быть измерено с помощью механизма уменьшения скорости, подключенного к поворотному датчику на двигателе, или с помощью высокоточного датчика угла наклона на оси станка. Использование угловых энкодеров обеспечивает значительно более высокие показатели точности и воспроизводимости.
Дополнительные меры для работы в полузамкнутом контуре
Чтобы предотвратить нагрев шарикового винта и окружающих частей машины, некоторые шариковые винты имеют полые сердечники для циркуляции охлаждающей жидкости. При работе с полузамкнутым контуром на точность позиционирования влияет тепловое расширение шарикового винта и, следовательно, зависит от температуры охлаждающей жидкости. Повышение температуры всего на 1 К приводит к ошибкам позиционирования до 10 мкм в диапазоне перемещения 1 м. Однако обычные системы охлаждения часто не в состоянии ограничить колебания температуры значениями значительно ниже 1 К.
Для приводов с полузакрытым контуром тепловое расширение шарикового винта иногда аппроксимируется с использованием модели в системе управления. Поскольку температурный профиль трудно измерить во время работы и на него влияют многочисленные факторы, такие как износ шариковой гайки с рециркуляцией, скорость подачи, силы резания и используемый диапазон перемещения, при использовании этого метода могут возникать значительные остаточные погрешности до 50 мкм/м.
Шариковый винт иногда снабжается неподвижными подшипниками на обоих концах, чтобы повысить жесткость механики привода. Но даже очень жестко сконструированные подшипники не могут предотвратить расширение, вызванное локальным выделением тепла. Результирующие силы значительны. Они деформируют самые жесткие конфигурации подшипников и могут даже вызвать структурные искажения в геометрии машины. Механическое натяжение также изменяет характеристики трения привода, что отрицательно сказывается на точности контурирования станка.
Из-за этих ограничений точность привода, которая может быть достигнута путем принятия описанных дополнительных мер, не может сравниться с работой по замкнутому циклу с использованием линейных энкодеров. Кроме того, дополнительные меры для работы с полузамкнутым контуром не могут компенсировать последствия изменения предварительной нагрузки на подшипник из-за износа или упругих деформаций механики привода.
Влияние точности привода на изготовление деталей
В машиностроительной промышленности значительно возрастает спрос на мелкие детали, изготавливаемые небольшими сериями. Таким образом, точность первой заготовки становится важным фактором прибыльности компаний-производителей. Станки для высокоточного производства небольших партий сталкиваются с реальной проблемой. Постоянные изменения между настройкой заготовки, сверлением, черновой обработкой и чистовой обработкой приводят к постоянным изменениям теплового режима станка.
Типичные скорости подачи для черновой обработки заготовки варьируются от 3 до 4 м/мин, в то время как для чистовой обработки используются скорости подачи от 0,5 до 1 м/мин. Быстрые перемещения в поперечном направлении при замене инструмента также значительно увеличивают средние скорости. Средние скорости подачи во время сверления и расширения незначительны из-за тепловыделения в шариковых винтах с рециркуляцией. Из-за сильно изменяющихся скоростей подачи распределение температуры вдоль шариковых винтов меняется на отдельных этапах процесса. При работе с полузамкнутым контуром изменяющиеся нагрузки на шариковый винт с рециркуляцией могут привести к снижению точности обработки заготовок, даже если заготовки полностью обработаны всего за одну установку. Таким образом, станки с линейными датчиками в режиме замкнутого цикла абсолютно необходимы для высокоточного изготовления мелких деталей.
Пример обработки нескольких деталей из одной заготовки
Алюминиевая заготовка длиной 500 мм сначала просверливается, а затем развертывается на станке. Средние скорости подачи во время двух операций механической обработки невелики, поэтому тепловыделение в шариковых винтах с рециркуляцией незначительно. На следующем этапе производства контур фрезеруется, и скорость подачи среды значительно увеличивается, что приводит к значительному выделению тепла в шариковых шнеках.
Если фрезерный станок работает в режиме полузамкнутого контура, тепловое расширение шариковых винтов с рециркуляцией приводит к отклонениям между режимом сверления и режимом фрезерования.Максимальные отклонения в 135 мкм были измерены вблизи незакрепленных подшипников шарикового винта. При работе с замкнутым контуром этих ошибок можно полностью избежать.
Функциональный размер между положением отверстия и линией деления пополам отдельной заготовки составляет 12 мм и должен соответствовать допуску IT8. Это приводит к допустимому отклонению в ±13 мкм. Все заготовки, обработанные в режиме замкнутого цикла, значительно укладываются в этот допуск. Отклонения до 135 мкм измерялись в режиме полузакрытого контура. Таким образом, заготовка соответствует только классу допуска IT13 вместо требуемого класса допуска IT8.
Пример механической обработки соединительного рычага для аэродинамического профиля
Другой пример описывает изготовление соединительного рычага, требующего механической обработки двух отверстий на расстоянии 350 мм друг от друга с допуском IT7. Интегральный компонент изготавливается дважды из одной и той же заготовки, чтобы можно было оценить точность, которая может быть достигнута в режиме полузамкнутого контура. Вторая заготовка просто обрабатывается на 10 мм ниже первой. Между двумя операциями механической обработки над заготовкой выполняется двадцать циклов обработки для одной и той же детали.
При работе с полузамкнутым контуром контур второй заготовки отклоняется от контура первой заготовки. Чем дальше приводы удаляются от неподвижных подшипников шарикового винта с рециркуляцией во время обработки, тем более очевидным становится тепловое расширение шарикового винта.
Требуемый функциональный размер 350 мм с допуском IT7 соответствует допустимому отклонению ±28 мкм. Вторая заготовка, обработанная в режиме полузамкнутого контура, не соответствует этому требованию. Отклонение составляет 44 мкм. При использовании линейных энкодеров в режиме замкнутого контура в этом тесте краевые результаты отсутствуют.
Остаточные отклонения в 10 мкм, возникающие при работе по замкнутому циклу, обусловлены вызванными температурой структурными искажениями геометрии машины. Указанные размеры для двух отверстий могут быть даже увеличены до IT5.
Пример трехмерного фрезерования поверхностей произвольной формы
Другой пример иллюстрирует механическую обработку пресс–формы с классическим профилем Watzmann — легендарной горы в немецких Альпах. Заготовка длиной 500 мм обрабатывается циклами многопроходного фрезерования с подъемом и подрезкой в направлении X с использованием шаровой фрезы диаметром 12 мм и максимальной скоростью подачи 4,5 м/мин. На обработку контура с подачей 0,2 мм в направлениях Z и Y уходит около 60 минут. Высокая скорость подачи 4,5 м/мин в сочетании с постоянными ускорениями и замедлениями генерирует тепло в шариковом шнеке с рециркуляцией и вызывает вызванные температурой линейные отклонения на 130 мкм при работе с полузамкнутым контуром. Поскольку линейное отклонение этого компонента пресс-формы трудно визуализировать, механическая обработка была намеренно начата в середине заготовки. Таким образом, начальный и конечный пути лежат бок о бок и четко показывают тепловой дрейф. Чем дальше положение обрабатываемой детали от неподвижного подшипника, тем выше тепловой дрейф.
Чтобы соответствовать высоким требованиям при изготовлении пресс-форм и штампов, необходимо компенсировать расширение шариковых винтов с помощью точных линейных датчиков.
Резюме
Для успешного выполнения производственных заказов требуются станки с высокой термостойкостью. Точность станка должна поддерживаться даже при сильно изменяющихся условиях нагрузки. Как следствие, оси подачи должны обеспечивать требуемую точность во всем диапазоне перемещения даже при сильно изменяющихся скоростях и усилиях обработки. Тепловое расширение в шариковых винтах с рециркуляцией по осям линейной подачи отрицательно влияет на точность и варьируется в зависимости от скорости и нагрузки. Ошибки позиционирования в 100 мкм и более могут возникнуть в течение 20 минут во время операции механической обработки, если положение ползуна определяется только по шагу шпинделя и поворотному датчику. Поскольку при использовании этого метода существенные ошибки привода не компенсируются в контуре управления, это называется работой привода подачи в полузамкнутом контуре. Эти ошибки могут быть полностью устранены с помощью линейных энкодеров. Приводы подачи с линейными датчиками работают в режиме замкнутого контура, поскольку ошибки в шариковом винте рециркуляции учитываются при измерении положения и компенсируются в контуре управления положением. Датчики угла, используемые на осях вращения, обеспечивают аналогичные преимущества, поскольку компоненты механического привода также подвержены тепловому расширению. Таким образом, линейные и угловые датчики обеспечивают высокую точность изготавливаемых компонентов даже при сильно изменяющихся условиях эксплуатации станков.
HEIDENHAIN Corp.
www.heidenhain.us
Узнайте больше о линейных энкодерах —
включая различные способы измерения линейных расстояний, как линейные энкодеры повышают точность, первое соображение в выбор линейного энкодера, и функциональность интернета вещей с линейными кодерами — наlinearmotiontips.com/category/linear-encoders.
Свежие комментарии