Měření a korekce chyb obráběcího stroje ve výrobním procesu

Asi 75 % výrobních nepřesností obrobků je způsobeno kolísáním teploty – především u velkých součástí a tomu odpovídajících velkých obráběcích strojů. Tepelná roztažnost se totiž projevuje u dlouhých vedení a především u stojanů, příčníků a ramen (tedy u dlouhých součástí stroje). Přitom výchozím řešením je udržovat stroj a jeho okolí na konstantní teplotě, protože při ní se předem vyloučí deformace stroje.

Abychom udrželi na všech existujících místech zdrojů tepla všechny okolní podmínky konstantní, musí stroj několik hodin běžet naprázdno. Rovněž výrobní proces musí probíhat plynule. Toto však je zejména při výrobě malého počtu kusů problematické, protože se výrobní proces a okolní podmínky u každého obrobku mohou značně lišit. Navíc je velký klimatizační systém u velkých součástí a strojů často vůbec nepoužitelný z důvodu velikosti a spotřeby elektrické energie.

Přetvoření je měřeno přímo

Fraunhofer Institut – IPT proto nyní pracuje, v rámci mnoha výzkumných záměrů, na alternativním řešení, jehož základ tvoří systém senzorů, který měří přímo deformace struktury stroje. Systém je trvale zabudován do stroje, což umožňuje pozorovat průběžně deformace stroje a současně výrobní proces na stroji. Matematický model, ve kterém jsou zpracována naměřená data, určuje deformace projevující se na špičce nástroje (TCP Tool-Center-Point). V následujícím kroku je pak známá deformace korigována. K tomu jsou vypočítány korekční hodnoty pro jednotlivé osy pohonů a přeneseny na řízení stroje.

Princip měření je založen na systému tyčí zhotovených z plastu vyztuženého uhlíkovými vlákny (CFK) vloženými do stroje. Tyto jsou vzhledem k velmi malému koeficientu prodloužení tepelně stabilní a slouží jako referenční pro měření deformace. Vzhledem k uložení tyčí bez předpětí - jeden konec je pevně uchycen k měřené části stroje, druhý je volný - se získá možnost použít prodloužení působící na délce tyče přímo pro měření deformace, a to s velkou přesností. Měřená délka může činit několik centimetrů až několik metrů a přesnost měření se prakticky ne-mění.

Měření změny délky tyčí se provádí na volném konci běžným snímačem délek. Dosud byly testovány dotykové i bezdotykové snímače, včetně snímačů optických. Podle různých požadavků zákazníků může být použit vhodný princip senzoru odpovídající požadavku na rozsah a přesnost měření. Senzory jsou vytvořeny jako stavebnicový systém, což umožňuje řešit rozličné požadavky na jejich použití. Nyní je již možné uvažovat o použití systému senzorů při konstrukci nového stroje, například ve stojanu odlitém z polymerbetonu.

Systém je možné také nainstalovat dodatečně

Existuje také varianta umožňující nainstalování systému na vnější strukturu stávajících, již uží-vaných strojů. Systém lze proto použít pro celou řadu obráběcích strojů bez vynaložení vysokých investičních nákladů.

Společně s partnerem z výzkumu instaloval již Fraunhofer Institut – IPT takový měřicí systém na stávající velký obráběcí stroj, aby mohl přímo měřit prodloužení jeho 20 metrů dlouhého lože. Systém ukazuje, jak se mění délka lože stroje při různých teplotách. Na této velké vzdálenosti byla přesnost měření 20 µm, což je srovnatelné s měřením laserovým interferometrem.

Systém senzorů je však značně stabilnější, než je měření laserovým interferometrem. To prokázaly dlouhodobé, několik měsíců trvající zkoušky obráběcího stroje za provozních podmínek. Nebyl pozorován žádný negativní vliv na výsledky měření daný například vibracemi nebo chladicí olejovou mlhou. Nový měřicí systém tak prokázal schopnost použití v průmyslu.

Matematický model je rozhodující

V dalším případě byl měřicí systém použit na měření deformací vřeteníku frézky běžné velikosti. Zde činila měřená délka asi půl metru. Měřicí systém senzorů byl v tomto případě příslušně zmenšen.

Největší význam pro úspěšné korekce chyb polohy má – kromě vysoké přesnosti a časové stability měřicího systému – funkčnost matematického modelu. Při vývoji modelu byl cílem také krátký čas na zaškolení obsluhy měřicího systému. Model může být rovněž vytvořen se zřetelem na geometrickou strukturu stroje a systém senzorů.

Inženýři z Fraunhofer Institutu – IPT provedli na zkušebních standech obsáhlé experimenty s cílem potvrzení splnění uvedených požadavků. Nejprve byly zkoumány existující údaje ze senzorů, zda mezi naměřeným přetvořením a přetvořením skutečným existuje lineární závislost. Použitý zkušební stand odpovídal exaktně poměrům skutečného obráběcího stroje: kvádr z minerální litiny, který je vybaven systémem senzorů, byl pomocí válcového topného tělesa ohříván na různých místech na různou teplotu, a tak byla vyvolávána jeho deformace. Toto nesymetrické rozdělení teploty s rozdíly zhruba 10°C mezi oběma stranami kvádru způsobuje již odchylku cca 100 µm. Signály zabudovaných senzorů byly srovnávány s externím měřením přetvoření.

Metodou prokládání křivek a ploch daty (metoda Curve-Fitting) bylo možné stanovit pro ohyb téměř lineární závislost s odchylkou méně než 2 %. S registrací tohoto přetvoření je možné již modelovat deformaci velkých součástí kombinací prostého prodloužení a ohybu. Toto se projeví na geometrii stroje jako odchylky od polohy nástroje a chyby v kolmosti pohybů.

Úspěšné ověření na zkušebním standu

V souladu s naměřenou linearitou byl postaven model, kde byly použity geometrické parametry hranolu jako základní hodnoty pro výpočet korekčních hodnot. Na zkušebním standu byl ověřen také model výpočtu. V příznivém případě činily odchylky měření na hranolu při jednoduchém ohybu oproti modelem vypočteným hodnotám asi 5 %. Zhodnocení výsledků měření: Při použití systému měření na standu je možné pomocí odpovídajících korekcí tepelných deformací snížit až o 95 % nepřesnost polohy nástroje.

Po slibném výsledku zkoušek v laboratoři a na zkušebním obráběcím stroji je příštím logickým krokem osazení výrobního obráběcího stroje systémem senzorů a připojení systému na řídicí systém stroje. Získávání dat, model výpočtu a generování korekčních hodnot probíhá na systému v reálném čase. Systém může být vybaven různým rozhraním, což umožňuje jeho použití na růz-ných strojích. Aby korekce skutečně fungovaly, je nutné nejprve načíst data stroje, především hodnoty nastavení posuvových os a údaje o nástroji. Na druhé straně musí řízení stroje předat korekční údaje dále. Přitom se sleduje, zda souhlasí dané hodnoty posuvových os s hodnotami korektur. Mnoho výrobců řídicích systémů k tomu nabízí základní možnosti řešení.

Výpočet korekcí matematickým modelem trvá asi 100 ms; tato doba je pro zhodnocení teplot-ních změn rozměrů kvádru více než dostatečná. Dokonce ještě zbývá čas korigovat deformace způsobené vlivem mechanického zatížení. Se stále rostoucím výkonem systémů řízení obráběcích strojů lze předpokládat integraci korekčních mechanismů přímo do řídicího systému stroje.

Zdroj: MM Das Industriemagazin č. 11, 2015

Jaroslav Řasa
Jar.rasa@seznam.cz

Michel Klatte, zpracoval Ing. Jaroslav Řasa, CSc.