Методическое обеспечение технического диагностирования оборудования с ЧПУ. Часть 7.

Меня всегда интересовали инновации, меня всегда интересовала логика и последовательность действий. Мне всегда было интересно, как что-то развивается. А если я видел, что что-то инновационное в ремонтном производстве уже функционирует и приносит положительные результаты, тогда я применял все свои силы и возможности для их внедрения в Техническом центре. Для меня главным и основным критерием были инновационные решения в сфере ремонтного производства. Если я не видел положительного эффекта от оптимизации, направленного на научно-техническое развитие Технического центра ТОиР оборудования с ЧПУ, то для меня они не имели никакого смысла. Потому что я считаю, что важно создать среду, где инновации будут процветать, но еще важнее позволить им развиваться в дарвиновском духе. Когда ставки высоки, не стоит интуитивно ставить на какую-то технологию и утверждать, что именно она выиграет — потому что, возможно, это не так. Вы должны позволить технологиям эволюционировать естественным путем.

В данной части статьи я продолжаю рассматривать тему методического обеспечения диагностирования оборудования с ЧПУ и предлагаю Вашему вниманию практическую реализацию инновационной системы измерения объемной геометрической точности крупногабаритных многокоординатных станков с ЧПУ с последующей автоматической компенсаций геометрических погрешностей.

 41. Пример практического использования системы  ETALON LaserTRACER-NG для  измерения объемной геометрической точности крупногабаритных многооперационных станков с ЧПУ с последующим автоматическим вводом коррекции.

Необходимо отметить, что в последнее время все больше предпочтений на предприятиях отдается пятикоординатным станкам с ЧПУ. Это связано с широкими технологическими возможностями этих станков:
-они позволяют проводить черновые и чистовые операции за один установ,
-наилучшим образом обрабатывать сложные детали (колеса турбин, гребные винты и сборные лопасти), пресс-формы или детали из труднообрабатываемых материалов.


Такие станки становятся незаменимыми в военной, авиационной, космической и автомобильной отраслях промышленности наряду с автоматическими линиями. Однако, повышение требований к качеству изготовления деталей, а также техническое совершенствование материалов требует постоянного контроля за техническим состоянием и особенно объемной геометрической точностью станков.


То, чем я собираюсь поделиться в данной статье, начинает внедряться на крупных машиностроительных предприятиях, где руководство стремится содержать оборудование с ЧПУ в соответствии с паспортными характеристиками за счет хорошо организованной службы ТОиР. Этот метод, которым я поделюсь, в общих чертах основан на и инновационном методе измерения объемной геометрической точности крупногабаритных портальных пятикоординатных станков c УЧПУ типа Sinumerik 840d SL.

Измерения объемной геометрической точности и автоматическая компенсация погрешностей производилась при помощи системы, созданной на базе следящего интерферометра высокого разрешения ETALON LaserTracer NG производства ETALON Gmbh - HEXAGON (Германия). Оценка погрешности перемещения производилась по 21 возможному параметру во всем рабочем объеме станка. Обработка и анализ результатов производились при помощи программного обеспечения TRAC-CAL и TRAC-CHECK, разработанного ETALON Gmbh совместно с Национальным Метрологическим Институтом Германии.

В настоящее время на предприятиях машиностроения очень остро стоит вопрос обеспечения объемной геометрической точностью  многокоординатных станков с ЧПУ и особенно крупногабаритных. В статье я рассматриваю инновационный метод измерения объемных геометрических погрешностей с последующим вводом компенсации в автоматическом режиме на пятикоординатных станках c УЧПУ типа Sinumerik 840Dsl, автоматизированной системой объемной компенсации ETALONна базе Laser TRAC CHEIK-NG-ETALON.
Даная система имеет в своем составе программу количественной модели аппроксимации с интервалом погрешностей фактических точек и паспортных точек.

        41.1. Методика работы.

Работа системы основана на принципах последовательной мультилатерации. Для измерений используется следящий лазерный интеферометр LaserTracer-NG, при помощи которого последовательно измеряются расстояния до отражателя, для заданного набора точек, из нескольких позиций LaserТracer. После проведения измерений, как минимум из трех положений, полученная пространственная информация используется для оценки пространственной точности и для калибровки станков. Из-за особенностей компоновки портальных многокоординатных станков, а также для обеспечения высокой точности и уменьшения неопределенностей измерений, производились измерения из семи положений LaserTracer. Для точного определения погрешностей поворотных осей и параметров «тангаж», «рыскание», «крен», отражатель располагался с различным смещением от оси / торца шпинделя.  Созданная при помощи ПО TRAC- CAL пространственная сетка погрешностей использовалась ЧПУ для компенсации выявленных геометрических погрешностей в автоматическом режиме. В ЧПУ SIEMENS для этой цели применялась функция объемной компенсации “Volumetric Compensation System (VCS)”. Поскольку система Etalon не имеет связи с кинематикой оборудования, методика позволяет при помощи ETALON LaserTRACER-NG и ПО TRAC-CHECK произвести повторную верификацию оборудования и оценить геометрические погрешности в соответствии с ГОСТ - ISO230 (ISO230-2, ISO230-6), что позволяет объективно оценить эффект от применения объемной компенсации.

          41.2. Объекты измерения с автоматическим вводом компенсации на полученные погрешности.

В настоящее время на предприятиях машиностроения остро встает вопрос повышении качества изготовления деталей на крупногабаритных 5-координатных станках с ЧПУ, имеющих значительный возраст эксплуатации и низкую объемную геометрическую точность. 
Отсюда, обеспечение необходимой объемной геометрической точности крупногабаритных 5-координатных станков при их эксплуатации является важной задачей для ремонтных служб предприятий машиностроения, решению которой в последнее время посвящается все больше теоретических и экспериментальных исследований. Актуальными становятся вопросы отладки, юстировки и диагностики многокоординатных обрабатывающих центров. Однако в этих работах не уделяется должного внимания всему многообразию возможных методов и методик измерений точности станков и их усовершенствованию, а также влиянию возмущающих факторов (вес узлов станка, температура) на точность 5-координатных машин с ЧПУ. Существует непрерывно растущая потребность в отслеживании, выявлении и решении проблем, оказывающих воздействие на повышение точности крупногабаритных многокоординатных станков с ЧПУ. В связи с этим работы, направленные на повышение объемной геометрической точности 5-координатных многоцелевых станков с ЧПУ за счет автоматического расчета и ввода компенсации на погрешность рассмотрим на примере, описанном ниже.

В качестве объекта измерения объемной геометрической точности и автоматического ввода компенсации на полученные погрешности были выбраны пятикоординатные портально-фрезерные станки, шлифовальные, координатно-расточные, токарно-карусельные с ЧПУ. Конкретно мы разберем пример измерения объемной геометрической точности с последующим автоматическим вводом компенсации на погрешности пятикоординатного портально-фрезерного станка модели FC1400 с УЧПУ типа Sinumeric 840 Dsl.

Работы были выполнены специализированной организацией на одном из заводов ВПК. В результате мы получили распределённую объемную геометрическую погрешность в рабочем пространстве станка до и после введения компенсации. Результаты представлены в статье в форме графиков и таблиц.
В статье будут представлены результаты, подтверждающие высокую эффективность метода и некоторые возможности, заложенные в систему типа Laser Tracer –NG.

На нижерасположенном рисунке представлен пятикоординатный портально-фрезерный станок модели FC1400 с УЧПУ типа Sinumeric 840 Dsl.

                         Технические характеристики

Плоскость стола......................... 14000 х 2220 мм
Расстояние от шпинделя до плоскости стола 0—1280 мм
Перемещения по координатам X; У; Z....14000; 2200; 1200 мм
Точность позиционирования..................... 0,06 мм
Повторяемость................................ 0,008 мм

            41.3. Цифровая модель станка.


На нижерасположенном рисунке представлена трехмерная цифровая модель станка FC14000, созданная с помощью пакета программ Computer Aided Design. А пакет программ Computer Aided Manufacturing переводит модель станка в код, понятный программному обеспечению станка и управляющий такими процессами, как скорость и направление подачи материала, местоположение и скорость перемещения инструмента, включение и выключение вспомогательных функций.

На нижерасположенном рисунке представлены модели станка FC14000, с возможными системными погрешностями геометрии по оси Х.

                         41.4.  Средства измерения

Подробное описание смотрите в статье «Методическое обеспечение технического диагностирования оборудования с ЧПУ. Часть 6».
На нижерасположенном рисунке представлена система объемной компенсации Etalon Laser TRACER-NG c подсистемами TRAC-CAL и TRANC- CHECK.

41.5. Схемы мониторинга

На нижерасположенном рисунке показана схема мониторинга объемной геометрической точности портального многокоординатного станка.

41.6. Принцип работы

Принципы коррекции погрешностей были применены при реализации измерения объемной геометрической точности пятикоординатного портально-фрезерного станка модели FC14000 c ЧПУ типа Sinumeric 840 Dsl на одном из предприятий ВПК. Задача состояла в измерении объемной геометрической  точности и компенсации геометрических погрешностей выше указанной модели станка, построенного по компоновке «XYZА», оснащенного: неподвижным столом, порталом, перемещающимся по оси X, и шпинделем с 2-х осевой поворотной головкой перемещающегося по осям У и Z.



      41.7. Порядок измерений объемной геометрической точности станка.

41.7.1. Устанавливаем трекер на столе в плоскости XYZ, в шпинделе производим смену инструмента на рефлектор.

41.7.2. Выбираем предустановленную конфигурацию измерения.

41.7.3. Выбираем тест-программу, которая представляет собой управляющую программу перемещения формообразующих узлов станка. В ней предусмотрены все виды перемещений и учтены абсолютные накопительные ошибки позиционирования. При выполнении программы отражатель, закрепленный в шпинделе портального станка, проходит по заданной траектории перемещений по контрольным точкам при постоянном слежении лазерным трекером. При этом тестовая программа составлена таким образом, что проверка проводится последовательно для всех формообразующих узлов станка.

41.7.4. Включаем станок и начинаем работы по измерению объемной геометрической точности станка.
По тест-программе проводим 7 измерений. На нижепредставленном рисунке я показываю образец одного измерения, где показан станок, таблица нахождения рефлектора и график перемещения рефлектора.

41.7.5. Проверка точности позиционирования и перекоса колонн.
Для портального многооперационного станка при проверке на точность позиционирования сначала измерялись и обрабатывались перемещения по каждой координате (-Х+Х),(-Y+Y),(-Z+Z) и по диагонали для проверки перекоса. Перекос может быть вызван нарушением синхронизации ШВП координат Х1 и Х2, рассогласованием приводов. Результаты измерения занесены в таблицы и отображены на графиках.
Затем последовательно перемещали портал вдоль оси Х-Х, а шпиндель вдоль осей Y-Y, Z-Z в двух направлениях. При этом позиционирование вдоль каждой оси выполняли с интервалами движения равными по оси (Х-Х) -497,869 мм, (29 контрольных точек) для определения плоскостности, для определения положения по осям (Х-Х)-278 мм.,(50 контрольных точек) (Y-Y)-170мм.,(13 контрольных точек) (Z-Z)-90мм.(17 контрольных точек) При каждом останове движения осуществлялось координирование щупа с отражателем лазерным трекером и обработка результатов измерений несоответствия средних практических перемещений.

41.7.6. Производим измерения перемещения колонн, по которым судим о перекосе портала, а также перемещение шпинделя по перпендикулярным осям.


41.7.7. Проводим автоматическую генерацию протокола измерения в виде графиков и таблиц.

      Обозначение геометрической погрешности
Нежелательные перемещения и связанные с ними отклонения обозначаются буквой Е и последующим индексом, в котором первой буквой является название оси в направлении нежелательного перемещения, а второй буквой – название оси перемещения. Определения геометрических погрешностей линейных осей даны в ISO 230-1.

41.7.7.1. Проводим измерения точности позиционирования в осях X-X, Y-Y, Z-Z. В результате получаем графики отклонения позиционирования в вышеуказанных осях. Для примера на нижерасположенном рисунке я показываю график отклонения позиционирования в осях Х-Х.


                                             Ехх

41.7.7.2. Проводим измерения прямолинейности по плоскостям: YX, ZX, XY, ZY, XZ, YZ. В результате получаем графики отклонения прямолинейности вышеуказанных плоскостей. Для примера на нижерасположенном рисунке я показываю график отклонения прямолинейности по плоскости YX .

                                       Eyx

41.7.7.3. Проводим измерения тангажа / рыскания/ крена
в осях AX, BX, CX, AY, BY, CY, AZ, BZ, CZ. В результате получаем графики угловых погрешностей отклонения перемещений в вышеуказанных осях. Для примера на нижерасположенном рисунке я показываю график отклонения угловой погрешности (ЕАх) перемещения вокруг оси Х (поворот вокруг оси Х).

41.7.7.4. По результатам измерений автоматически строятся диаграммы объемной погрешности.  На нижерасположенных рисунках представлены диаграммы распределения объемной погрешности в рабочем пространстве станка. Цветовая шкала в микрометрах.

На основании результатов измерений параметрических функций объемной геометрической погрешности система определила значения объемных погрешностей по координатным осям, а также абсолютную полную объемную геометрическую погрешность в точках рабочего пространства, заданных с определенным шагом. Для визуализации распределения объемных геометрических погрешностей в рабочем пространстве станка каждому значению модуля геометрической погрешности присваивают цвет в соответствии с цветовой шкалой от меньшей погрешности к большей - от желтого до красного.
На экран компьютера выводят изометрическую проекцию рабочего пространства обрабатывающего центра с точками, раскрашенными в соответствии со значением объемной погрешности.

           41.8. Результаты и рекомендации
41.8.1. В результате проверки точности позиционирования шпиндельной бабки по осям X,Y,Z выявили следующие отклонения:   

41.8.1.1. В продольном направлении ось Х- 135,5 микрометров.
41.8.1.2. В поперечном направлении ось Y- 112,8 микрометров.                               
41.8.1.3. В вертикальном направлении ось Z- 137.3 микрометра.  
41.8.1.4. Вывод: параметры точности позиционирования по координатам Y и Z почти на порядок превосходят допустимые.           

41.8.2. В результате проверки точности прямолинейного перемещения шпиндельной бабки по плоскостям YX,ZX,XY,ZY,XZ,YZ выявили следующие отклонения:
41.8.2.1. В плоскости YX -264,1 микрометров.                                                              
41.8.2.2. В плоскости ZX -433,8 микрометров.                                                                       
41.8.2.3. В плоскости XY 37,9 микрометров.                                                               
41.8.2.4. В плоскости XY -37,9 микрометров.                                                                
41.8.2.5. В плоскости XY -37,9 микрометров.                                                                          
41.8.2.6. Рекомендация - для устранения погрешностей в плоскостях YX и ZX с целью повышения объемной геометрической точности станка во всей рабочей зоне рекомендуется провести выставление сегментов стола с помощью регулировки опор и накладных плит, а также проверить состояние фундамента.

                   41.8.3.  Неподвижный стол
Стол длиною 16000 мм, шириной 2220 мм собран из 4-х сегментов длиной 4000 мм и шириной 2220 мм. На сегменты уложено 56 плит, длиной 1110 мм и шириной   500 мм. Каждый сегмент стола опирается на 8 опор, располагающееся на расстоянии 1100 мм. На стыках сегментов опоры располагаются на расстоянии 700 мм
На нижерасположенном рисунке представлен общий вид стола станка модели FC14000, со значением объемной погрешности.

Для устранения погрешностей в плоскостях YX и ZX с целью повышения объемной геометрической точности станка во всей рабочей зоне рекомендуется провести выставление сегментов стола с помощью регулировки опор и накладных плит, а также проверить состояние фундамента.

                      41.8.4.  Портал станка.                                                                             

41.8.4.1. Наблюдается несогласованность приводов подач колонн Х1и Х2. Необходимо согласовать коэффициенты усиления приводов, так как при перемещении портала ось Х2 опережает ось Х1.          
41.8.4.2. При изменении направления движения на противоположное возможно происходит кратковременный останов в точке разворота. Для более точного определения причины необходимо провести пять измерений в разных точках разворота движения по 3 координатам. Также причиной останова могут быть: люфты в ШВП, повышенная сила трения в ШВП и направляющих по причине их малого износа в начальной и конечных точках, время срабатывания приводов по координатам Х1и Х2 не соответствует величине компенсации  люфтов, боковые люфты (люфты в направляющих), приводящие к рысканию портала, деформация кручения ШВП по всем координатам.                                                      
41.8.4.3. Рекомендации:
-проверить смазку гайки ШВП и направляющих,        
-проверить состояние тормозов электродвигателей,                      
-проверить наличие в контроллере компенсаций,                        
-провести 5 измерений точности позиционирования в прямом и обратном положении для подтверждения постоянства смещения, так как причиной появления смещения могут быть: неправильная компенсация люфтов в ШВП или ее полное отсутствие,     
-наличие бокового люфта между линейными опорами и направляющими по всем координатам,     
-проверить износ шариков гайки ШВП и ходового винта,
-проверить осевое биение подшипников ходового винта ШВП,
 -дополнительно измерить рыскание портала.

41.8.4.4. Наблюдаются угловые отклонения линейных перемещений значительно превосходящих допуск ( 12” смотри таблицу) по всем координатным плоскостям. Угловые отклонения возникают из-за нарушения угла подъема резьбы ШВП, тем самым изменяют ориентацию движущегося узла станка, что приводит к неточности позиционирования и образованию угла наклона плоскости и угла крена.
41.8.4.5. Для устранения угловых отклонений необходимо провести работы по осмотру состояния всех ШВП, линейных опор качения и состояния направляющих.
41.8.4.6.  Наблюдается несоосность направляющих осей и их неперпендикулярность
41.8.4.7. Наблюдается неперпендикулярность оси шпинделя относительно всех плоскостей
41.8.4.8. Наблюдается погрешность позиционирования 2-осевого шпинделя по причине:
 -бокового смещения оси вращения из-за радиального биения подшипников появления деформации кручения вала, соединяющего контрольный элемент с энкодером.    
–износа или поломки муфты

41.9.  Вычисление и обновление данных для компенсации (при необходимости).

В текущий момент времени, в связи с проведением СВО на Украине, машиностроительным предприятиям ВПК необходимо наращивать выпуск военной продукции высокого качества и при этом ответить на вопрос: соответствует ли имеющееся многокоординатное оборудование с ЧПУ производственным потребностям из-за его технического состояния, и особенно состояния геометрической точности, и как минимизировать затраты на ТОиР без потери качества ремонтных работ.

Для крупногабаритных многокоординатных станков с ЧПУ объемная геометрическая точность –это ключ к повышению производительности, качеству обработки и повышению эффективности производства. В условиях современного производства повышение объемной геометрической точности не может быть достигнута без цифровой компенсации, так как классические методы требуют больших материальных и физических затрат, занимают много времени и требуют квалифицированных специалистов и уже давно исчерпали свои возможности.

Благодаря программной объемной геометрической компенсации возможно снизить геометрические погрешности станка на (60-80)%, увеличить точность в 3-5 раз.

41.9.1. Применение системы ETALON позволило на практике за короткое время повысить объемную геометрическую точность крупногабаритных многокоординатных станков с ЧПУ за счет расчета и последующего ввода компенсации геометрических погрешностей.
41.9.2. Используя данные измерения геометрической точности станков, система автоматически рассчитывала величину поправки и вводили их в систему ЧПУ станка для коррекции управляющей программы через каждое перемещение, равное заданному шагу.
41.9.3. Результаты измерений скорректированных геометрических погрешностей автоматически генерировались в виде графиков и таблиц.
41.9.4. На экран компьютера генерировалась изометрическая проекция рабочего пространства многокоординатного станка с точками, раскрашенными в соответствии со значением объемной погрешности. Смотри пункт 41.7.7.4. данной статьи.
41.9.5. После проведения необходимых измерений, система вычисляет значения величин коррекции полной объемной погрешности Ех(х, у, z), Еу(х, у, z), Еz(х, у, z) и передает их в управляющую программу.


На нижерасположенном рисунке показаны графики погрешностей при перемещении портала станка FC14000 по оси X до (а) и после (б) коррекции по всей длине стола.

41.9.6. Инновационная технология объемной компенсации геометрических параметров станков позволит безошибочно измерять геометрические погрешности, автоматически их компенсировать, измерять степень износа основных узлов станка, существенно повысить точность обработки деталей, существенно сократить время нахождения станка на плановом ТО, повысить эффективность работы станков, а также быстро восстановить геометрическую точность станков, эксплуатирующихся более 30 лет.

Таким образом, применение системы объемной компенсации с автоматическим вводом программной компенсации отклонений от прямолинейности, перпендикулярности, плоскостности и точности позиционирования позволило в несколько раз уменьшить геометрические погрешности станка, а именно:
-Погрешности позиционирования портала.
-Погрешности перпендикулярности формообразующих узлов.
-Погрешности прямолинейности.
-Погрешности выставки станка.
-Погрешности сборки станка.
-Погрешности позиционирования шпинделя.


В данной работе было показано промышленное применение автоматической системы измерения и компенсации объемной геометрической погрешности многокоординатного станка модели FC14000.
На примере работы лазерной системы Laser TRAC CHECK-NG-ETALON была проведена работа по оценке возможностей и результатов от внедрения этой инновационной системы в производство. Под инновацией здесь понимается восстановление объемной геометрической точности многокоординатного станка модели FC14000, которая позволит:
1.Повыситть точность обработки деталей в несколько раз.
2.Исключить слесарные доводочные работы.
3. Повысить качество обработки деталей.
4.Снизить время планового простоя при проведении ТОиР.
5.Повысить производительность.

На этом я заканчиваю статью на тему “Методическое обеспечение технического диагностирования оборудования с ЧПУ”. Буду очень рад, если предоставленный материал пригодится Вам в трудной, но престижной и интересной работе. Желаю Вам, коллеги, больших успехов в повышении эффективности работы служб ТОиР, а также взаимопонимания при принятии решений.