eng
Выпуск #4/2016
Н. СЕРКОВ, И. ШЛЕСБЕРГ
Особенности построения 5-координатных станков с ЧПУ и вопросы юстировки поворотных столов
Особенности построения 5-координатных станков с ЧПУ и вопросы юстировки поворотных столов
Просмотры: 2929
Приведена классификация многокоординатных станков в зависимости от места расположения механизмов поворота. Представлен краткий обзор 5-координатных станков с ЧПУ. Рассмотрена методика юстировки «непересечения» осей поворота глобусного стола 5-координатного станка.
Теги: 5-axis cnc machine 5-координатные станки чпу angular coordinates faceplate operated coordinates rotary table spindle планшайб поворотный стол угловые координаты управляемые координаты шпиндель
ВВЕДЕНИЕ
Ключевыми направлениями импортозамещения в машиностроении являются: многокоординатная обработка, ультрапрецизионное оборудование, тяжелые станки, металлообрабатывающий инструмент.
Эффективная обработка сложных поверхностей ответственных деталей: рабочих колес турбин, винтовых пар насосов, гребных винтов, пресс-форм и др. − возможна лишь при взаимосвязанном относительном движении инструмента и заготовки по пяти координатам.
ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРЫ 5КООРДИНАТНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ
Как правило, 5-координатные станки с ЧПУ имеют три линейные и две угловые координаты. Вопросы, относящиеся к основным компоновкам станка и связанные с расположением линейных координат, к настоящему времени изучены достаточно хорошо и представлены в ГОСТ 30027-93. Подробнее следует рассмотреть классификацию многокоординатных станков в зависимости от места расположения механизмов поворота. В станке механизмы поворота воздействуют либо на корпус шпинделя, разворачивая ось вращения шпинделя, либо на стол с приспособлением для обрабатываемой детали. В соответствии с этим признаком можно выделить основные структуры многокоординатных станков, которые представлены в таблице, где каждая из приведенных групп имеет соответствующую маркировку:
Ф на первом месте − число управляемых координат (5К − пять координат);
Ф сокращение от «Станок» – СТ;
Ф первая цифра внизу − число угловых координат, реализуемых через движение стола с приспособлением для обрабатываемой детали;
Ф вторая цифра внизу − число угловых координат, реализуемых через движение корпуса шпинделя.
Рассмотрим последовательно примеры трех типов 5-координатных станков с ЧПУ: 5КСТ2,0, 5КСТ1,1, 5КСТ0,2.
Станки группы 5КСТ2,0. В этой группе механизмы поворота воздействуют на стол с приспособлением для обрабатываемой детали. Характерным примером этой группы является станок модели МС 300 (ОАО НИАТ) рис. 1 [1]. На рис. 1а показано расположение управляемых координат, а на рис. 1б − общий вид станка. Здесь поворотные узлы координат B и C присоединяются консольно к станине, а оси поворота располагаются под углом 90°.
Эта несложная консольная конструкция поворотного стола широко используется в прецизионных 5-координатных многоцелевых станках с ЧПУ класса точности А и выше с малыми рабочими объемами (400 ´ 400 ´ 400 мм). Для поворотных столов больших размеров и большей грузоподъемности используются двухопорные конструкции типа «люлька», обладающие повышенной жесткостью (рис. 1в) [2].
Станки группы 5КСТ1,1. Для обработки деталей средних размеров, требующих рабочего объема более 1 000 ´ 1 000 ´ 1 000 мм, чаще применяются 5-координатные станки группы 5КСТ1,1, которые конкурируют со станками группы 5КСТ2,0, оснащенными глобусными столами. Характерным представителем станков группы 5КСТ1,1 является станок модели STC 800 − 5-координатный обрабатывающий центр (рис. 2) [3].
Станки группы 5КСТ0,2. Станки этой группы предназначены для обработки длинномерных деталей, в основном − в авиастроении. Характерным примером является станок модели MAG U5 (Группа MAG, Cincinnati, США) [4], представленный на рис. 3а. На рис. 3б отдельно показана поворотная головка, несущая шпиндель и реализующая две угловые координаты.
Представленный обзор 5-координатных станков с ЧПУ показывает их большое разнообразие, которое обуславливается разноплановостью технологических задач в различных отраслях машиностроения. Представленная классификация 5-координатных станков с ЧПУ помогает ориентироваться в многообразии конструкций и выявлять общие трудности создания станков различных групп.
Обеспечение необходимой «объемной» точности 5-координатных станков при их изготовлении и эксплуатации является важной задачей, решению которой посвящено большое число теоретических и экспериментальных исследований.
Современные системы CAD / CAM позволяют генерировать траекторию движения исполнительных органов станка с практически неограниченной точностью: например, с погрешностью аппроксимации порядка 0,00005 мм [5]. Однако в настоящее время получить на станке указанную точность воспроизведения траектории в реальности не удается. Так, одна из ведущих станкостроительных фирм DIXI для 4- и 5-координатных станков моделей DHP 50 и DHP 80 гарантирует точность позиционирования по одной координате в пределах 0,99 мкм, но, по данным americanmachinist.com [6], точность в объеме 3D для 4-координатного станка той же фирмы DIXI составляет 15 мкм, а для 5-координатных станков − уже 25 мкм.
Объемная точность 5-координатных станков с ЧПУ нормируется ГОСТ 30027-93 «Модули гибкие производственные и станки многоцелевые сверлильно-фрезерно-расточные. Нормы точности».
На рис. 4 представлена схема станка модели МС 300, на которой приведены системы координат отдельных подсистем несущей системы (НС) станка. Интегральное отклонение взаимного положения исполнительных органов станка (шпинделя − /X3, Y3, Z3/ и планшайбы − /X5, Y5, Z5/) складывается из первичных отклонений движения всех приведенных подсистем НС станка. Последовательная цепочка от станины к шпинделю состоит из трех подсистем:
Ф станина (X0, Y0, Z0) + салазки (X1, Y1, Z1);
Ф салазки (X1, Y1, Z1) + стойка (X2, Y2, Z2);
Ф стойка (X2, Y2, Z2) + шпиндельная бабка
(X3, Y3, Z3).
Последовательная цепочка от станины к планшайбе, несущей обрабатываемую деталь, состоит из двух подсистем:
Ф станина (X0, Y0, Z0) + корпус планшайбы
(X4, Y4, Z4);
Ф корпус планшайбы (X4, Y4, Z4) + планшайба (X5, Y5, Z5).
Первичные отклонения звеньев и кинематических пар в механизмах подсистем регламентируются нормами точности на изготовление станка. Требуемая точность станка достигается как технологией изготовления деталей, так и технологией сборки узлов и станка в целом. В настоящее время при сборке станка для достижения необходимой точности широко используются различные методы коррекции первичных отклонений [7], например через систему ЧПУ [8]. Для проведения коррекции необходимо измерять первичные отклонения с помощью хорошо развитых методов и средств измерения (ГОСТ 22267-98). Современные средства измерения, используемые для целей проведения коррекции в 5-координатных станках, обобщены и описаны в работе [9].
Наличие двух угловых координат в 5-координатных станках требует проведения отдельных проверок на геометрическую точность на холостом ходу:
Ф измерения отклонений «непересечения» осей поворота;
Ф измерения отклонений от перпендикулярности осей поворота;
Ф привязки осей поворота к линейным координатам.
Для станков группы 5КСТ2,0 в ИМАШ РАН совместно с ОАО НИАТ разработана методика измерения и изготовлено устройство для юстировки «непересечения» осей вращения планшайбы (ось C) и оси вращения корпуса планшайбы (ось B). На рис. 5 показан общий вид приспособления при горизонтальном и вертикальном расположении планшайбы.
Эталонный шар выставляют так, чтобы ось поворота планшайбы проходила через центр шара. Это достигается путем вращения планшайбы (ось C) с периодическим отслеживанием показаний индуктивного датчика приспособления с эталонным шаром.
Далее, поворачивая корпус планшайбы вокруг оси B на 90° и −90°, можно по показаниям датчика линейных перемещений, касающегося поверхности эталонного шара в самой верхней ее точке, определить отклонение «непересечения» осей dx вдоль оси X:
dx = (a+90° − a−90°)/2,
где a+90° − показания датчика при повороте корпуса планшайбы на 90°, a−90° − показания датчика при повороте корпуса планшайбы на −90°.
В конструкции станка модели МС 300 предусмотрены регулировочные винты для смещения корпуса планшайбы в направлении оси X. Эта процедура носит итерационный характер и проводится до тех пор, пока величина dx не станет меньше заданного допуска. Итерационный характер процедуры обусловлен контактными деформациями сопрягающихся поверхностей при затяжке крепежных винтов.
Положение корпуса датчика по координате Z корректируется в соответствии с оставшейся величиной dx, и данные индуктивного датчика обнуляются. Положение корпуса датчика в направлении оси Z не должно изменяться при выполнении последующей процедуры итерационного процесса.
Следует отметить, что ось B может лежать на «зеркале» планшайбы с отклонением, регламентируемым допуском на «непересечение». Регулировка положения планшайбы в направлении оси Z осуществляется с помощью регулировочных винтов по результатам измерения dz блока концевых мер, набранного на размер радиуса эталонного шара R и устанавливаемого на зеркало планшайбы в соответствии с рис. 5.
В настоящее время разработано аналогичное устройство, в котором крепление шара с помощью резьбовых соединений заменено на крепление с помощью постоянного неодимового магнита (рис. 6). Такая конструкция устройства облегчает доступ к поверхности эталонного шара и упрощает процедуру юстировки поворотного стола.
ЛИТЕРАТУРА
1. Многокоординатный обрабатывающий центр модели МС300. http: //www.niat.ru/data/org/1429224423/1429809598/1429809796/1450013742.
2. FSP high speed machine system, Moore Tool Company, Inc. http: //mooretool.com/pdf/F_1633.pdf
3. STC 800 – 5axis machining center https: // www.starrag.com/enus/machine361/stcseries1/stc8001306
4. U5 1500 Rail type Features and Benefits https: //www.hillaryinc.com/index_htm_files/u5.pdf
5. In the pursuit of 5axis precision. American Machinist. 2010. № 2. http: //americanmachinist.com/cadcamsoftware/pursuit5axisprecision
6. Accuracy Drives Machine Tools. http: //americanmachinist.com/machiningcutting/accuracydrivesmachinetools
7. Серков Н.А. Точность многокоординатных машин с ЧПУ: Теоретические и экспериментальные основы. М.: ЛЕНАНД, 2015. 304 с.
8. SINUMERIK 840D/840Di/810D / Extended Functions. 840D_FB2.pdf // [сайт]. https: //support.industry.siemens.com/cs/attachments/108605870/FB2_0306_en.pdf?...
9. Schwenke H., Knapp W., Haitjema H., Weckenmann A., Schmitt R. and Delbressine F. Geometric error measurement and compensation of machinesAn update. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2008. Vol. 57. Is. 2. P. 660–675.
Ключевыми направлениями импортозамещения в машиностроении являются: многокоординатная обработка, ультрапрецизионное оборудование, тяжелые станки, металлообрабатывающий инструмент.
Эффективная обработка сложных поверхностей ответственных деталей: рабочих колес турбин, винтовых пар насосов, гребных винтов, пресс-форм и др. − возможна лишь при взаимосвязанном относительном движении инструмента и заготовки по пяти координатам.
ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРЫ 5КООРДИНАТНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ
Как правило, 5-координатные станки с ЧПУ имеют три линейные и две угловые координаты. Вопросы, относящиеся к основным компоновкам станка и связанные с расположением линейных координат, к настоящему времени изучены достаточно хорошо и представлены в ГОСТ 30027-93. Подробнее следует рассмотреть классификацию многокоординатных станков в зависимости от места расположения механизмов поворота. В станке механизмы поворота воздействуют либо на корпус шпинделя, разворачивая ось вращения шпинделя, либо на стол с приспособлением для обрабатываемой детали. В соответствии с этим признаком можно выделить основные структуры многокоординатных станков, которые представлены в таблице, где каждая из приведенных групп имеет соответствующую маркировку:
Ф на первом месте − число управляемых координат (5К − пять координат);
Ф сокращение от «Станок» – СТ;
Ф первая цифра внизу − число угловых координат, реализуемых через движение стола с приспособлением для обрабатываемой детали;
Ф вторая цифра внизу − число угловых координат, реализуемых через движение корпуса шпинделя.
Рассмотрим последовательно примеры трех типов 5-координатных станков с ЧПУ: 5КСТ2,0, 5КСТ1,1, 5КСТ0,2.
Станки группы 5КСТ2,0. В этой группе механизмы поворота воздействуют на стол с приспособлением для обрабатываемой детали. Характерным примером этой группы является станок модели МС 300 (ОАО НИАТ) рис. 1 [1]. На рис. 1а показано расположение управляемых координат, а на рис. 1б − общий вид станка. Здесь поворотные узлы координат B и C присоединяются консольно к станине, а оси поворота располагаются под углом 90°.
Эта несложная консольная конструкция поворотного стола широко используется в прецизионных 5-координатных многоцелевых станках с ЧПУ класса точности А и выше с малыми рабочими объемами (400 ´ 400 ´ 400 мм). Для поворотных столов больших размеров и большей грузоподъемности используются двухопорные конструкции типа «люлька», обладающие повышенной жесткостью (рис. 1в) [2].
Станки группы 5КСТ1,1. Для обработки деталей средних размеров, требующих рабочего объема более 1 000 ´ 1 000 ´ 1 000 мм, чаще применяются 5-координатные станки группы 5КСТ1,1, которые конкурируют со станками группы 5КСТ2,0, оснащенными глобусными столами. Характерным представителем станков группы 5КСТ1,1 является станок модели STC 800 − 5-координатный обрабатывающий центр (рис. 2) [3].
Станки группы 5КСТ0,2. Станки этой группы предназначены для обработки длинномерных деталей, в основном − в авиастроении. Характерным примером является станок модели MAG U5 (Группа MAG, Cincinnati, США) [4], представленный на рис. 3а. На рис. 3б отдельно показана поворотная головка, несущая шпиндель и реализующая две угловые координаты.
Представленный обзор 5-координатных станков с ЧПУ показывает их большое разнообразие, которое обуславливается разноплановостью технологических задач в различных отраслях машиностроения. Представленная классификация 5-координатных станков с ЧПУ помогает ориентироваться в многообразии конструкций и выявлять общие трудности создания станков различных групп.
Обеспечение необходимой «объемной» точности 5-координатных станков при их изготовлении и эксплуатации является важной задачей, решению которой посвящено большое число теоретических и экспериментальных исследований.
Современные системы CAD / CAM позволяют генерировать траекторию движения исполнительных органов станка с практически неограниченной точностью: например, с погрешностью аппроксимации порядка 0,00005 мм [5]. Однако в настоящее время получить на станке указанную точность воспроизведения траектории в реальности не удается. Так, одна из ведущих станкостроительных фирм DIXI для 4- и 5-координатных станков моделей DHP 50 и DHP 80 гарантирует точность позиционирования по одной координате в пределах 0,99 мкм, но, по данным americanmachinist.com [6], точность в объеме 3D для 4-координатного станка той же фирмы DIXI составляет 15 мкм, а для 5-координатных станков − уже 25 мкм.
Объемная точность 5-координатных станков с ЧПУ нормируется ГОСТ 30027-93 «Модули гибкие производственные и станки многоцелевые сверлильно-фрезерно-расточные. Нормы точности».
На рис. 4 представлена схема станка модели МС 300, на которой приведены системы координат отдельных подсистем несущей системы (НС) станка. Интегральное отклонение взаимного положения исполнительных органов станка (шпинделя − /X3, Y3, Z3/ и планшайбы − /X5, Y5, Z5/) складывается из первичных отклонений движения всех приведенных подсистем НС станка. Последовательная цепочка от станины к шпинделю состоит из трех подсистем:
Ф станина (X0, Y0, Z0) + салазки (X1, Y1, Z1);
Ф салазки (X1, Y1, Z1) + стойка (X2, Y2, Z2);
Ф стойка (X2, Y2, Z2) + шпиндельная бабка
(X3, Y3, Z3).
Последовательная цепочка от станины к планшайбе, несущей обрабатываемую деталь, состоит из двух подсистем:
Ф станина (X0, Y0, Z0) + корпус планшайбы
(X4, Y4, Z4);
Ф корпус планшайбы (X4, Y4, Z4) + планшайба (X5, Y5, Z5).
Первичные отклонения звеньев и кинематических пар в механизмах подсистем регламентируются нормами точности на изготовление станка. Требуемая точность станка достигается как технологией изготовления деталей, так и технологией сборки узлов и станка в целом. В настоящее время при сборке станка для достижения необходимой точности широко используются различные методы коррекции первичных отклонений [7], например через систему ЧПУ [8]. Для проведения коррекции необходимо измерять первичные отклонения с помощью хорошо развитых методов и средств измерения (ГОСТ 22267-98). Современные средства измерения, используемые для целей проведения коррекции в 5-координатных станках, обобщены и описаны в работе [9].
Наличие двух угловых координат в 5-координатных станках требует проведения отдельных проверок на геометрическую точность на холостом ходу:
Ф измерения отклонений «непересечения» осей поворота;
Ф измерения отклонений от перпендикулярности осей поворота;
Ф привязки осей поворота к линейным координатам.
Для станков группы 5КСТ2,0 в ИМАШ РАН совместно с ОАО НИАТ разработана методика измерения и изготовлено устройство для юстировки «непересечения» осей вращения планшайбы (ось C) и оси вращения корпуса планшайбы (ось B). На рис. 5 показан общий вид приспособления при горизонтальном и вертикальном расположении планшайбы.
Эталонный шар выставляют так, чтобы ось поворота планшайбы проходила через центр шара. Это достигается путем вращения планшайбы (ось C) с периодическим отслеживанием показаний индуктивного датчика приспособления с эталонным шаром.
Далее, поворачивая корпус планшайбы вокруг оси B на 90° и −90°, можно по показаниям датчика линейных перемещений, касающегося поверхности эталонного шара в самой верхней ее точке, определить отклонение «непересечения» осей dx вдоль оси X:
dx = (a+90° − a−90°)/2,
где a+90° − показания датчика при повороте корпуса планшайбы на 90°, a−90° − показания датчика при повороте корпуса планшайбы на −90°.
В конструкции станка модели МС 300 предусмотрены регулировочные винты для смещения корпуса планшайбы в направлении оси X. Эта процедура носит итерационный характер и проводится до тех пор, пока величина dx не станет меньше заданного допуска. Итерационный характер процедуры обусловлен контактными деформациями сопрягающихся поверхностей при затяжке крепежных винтов.
Положение корпуса датчика по координате Z корректируется в соответствии с оставшейся величиной dx, и данные индуктивного датчика обнуляются. Положение корпуса датчика в направлении оси Z не должно изменяться при выполнении последующей процедуры итерационного процесса.
Следует отметить, что ось B может лежать на «зеркале» планшайбы с отклонением, регламентируемым допуском на «непересечение». Регулировка положения планшайбы в направлении оси Z осуществляется с помощью регулировочных винтов по результатам измерения dz блока концевых мер, набранного на размер радиуса эталонного шара R и устанавливаемого на зеркало планшайбы в соответствии с рис. 5.
В настоящее время разработано аналогичное устройство, в котором крепление шара с помощью резьбовых соединений заменено на крепление с помощью постоянного неодимового магнита (рис. 6). Такая конструкция устройства облегчает доступ к поверхности эталонного шара и упрощает процедуру юстировки поворотного стола.
ЛИТЕРАТУРА
1. Многокоординатный обрабатывающий центр модели МС300. http: //www.niat.ru/data/org/1429224423/1429809598/1429809796/1450013742.
2. FSP high speed machine system, Moore Tool Company, Inc. http: //mooretool.com/pdf/F_1633.pdf
3. STC 800 – 5axis machining center https: // www.starrag.com/enus/machine361/stcseries1/stc8001306
4. U5 1500 Rail type Features and Benefits https: //www.hillaryinc.com/index_htm_files/u5.pdf
5. In the pursuit of 5axis precision. American Machinist. 2010. № 2. http: //americanmachinist.com/cadcamsoftware/pursuit5axisprecision
6. Accuracy Drives Machine Tools. http: //americanmachinist.com/machiningcutting/accuracydrivesmachinetools
7. Серков Н.А. Точность многокоординатных машин с ЧПУ: Теоретические и экспериментальные основы. М.: ЛЕНАНД, 2015. 304 с.
8. SINUMERIK 840D/840Di/810D / Extended Functions. 840D_FB2.pdf // [сайт]. https: //support.industry.siemens.com/cs/attachments/108605870/FB2_0306_en.pdf?...
9. Schwenke H., Knapp W., Haitjema H., Weckenmann A., Schmitt R. and Delbressine F. Geometric error measurement and compensation of machinesAn update. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2008. Vol. 57. Is. 2. P. 660–675.
Отзывы читателей
