Reklama

Možnosti digitalizace na vertikálním frézovacím centru

12. 10. 2005

Přidat do záložek

Odstranit záložku

Po registraci (zdarma) a přihlášení bude stránka přidána do záložek

Použitím analogové měřicí sondy Renishaw SP 2-1, umístěné ve vřetenu frézovacího stroje, získává uživatel možnost provádět digitalizaci součástek přímo na výrobním stroji, a to ve vyhovující kvalitě a při přijatelné spotřebě času.

Pro ověření možností digitalizace přímo na výrobním stroji byla k tomuto účelu navržena součást, na kterou byly aplikovány principy reverzního inženýrství. Celý tento proces, od tvorby modelu až k výrobě kopie součásti, je schematicky znázorněn na obr. 1.

Součást byla digitalizována měřicí analogovou sondou Renishaw SP 2 na vertikálním frézovacím centru MCV 750A s řídicím systémem Heidenhain TNC 426, který byl dovybaven digitalizačním modulem. I když na pracovišti byl k dispozici software Renishaw TraceCut k přímému zpracování digitalizovaných dat na NC program. K tvorbě NC programu pro výrobu kopie bylo využito nepřímého způsobu zpracování digitalizovaných dat pomocí CAD/CAM systému Catia V5 s digitalizačním modulem.

Reklama

Návrh zkušební součásti

Zkušební součást (obr. 2) byla vymodelována v systému Catia V5 tak, aby co možná v největší míře reprezentovala běžně vyráběné tvary součástí, s ohledem na rozmanitost ploch a tvarů a samozřejmě také s požadavkem na jednoduchost výroby dané součásti na CNC frézovacím centru.

Tvar součásti byl omezen jen výchozím polotovarem, kterým byla duralová krychle o rozměrech 60 x 60 x 58 mm.

Dalším krokem po návrhu součásti bylo vytvoření technologie obrábění. Hlavním požadavkem nebyla produktivita obrábění, ale jakost obrobeného povrchu s ohledem na budoucí snímání dotykovou sondou. K obrábění rovinných ploch byla použita čelní válcová fréza o průměru 10 mm s otáčkami vřetena 4000 ot.min^-1 a posuvem 600 mm.min^-1. U všech frézovacích operací bylo nastaveno sousledné obrábění, ne vždy však bylo systémem dodrženo. Ostatní plochy byly obrobeny frézou s kulovým vrchlíkem o průměru 6 mm. Na všechny tyto operace bylo opět zvoleno obrábění sousledné, které bylo v tomto případě dodrženo. Jakost obrobeného vrchlíku je do značné míry ovlivněna tím, že CNC si dráhu nástroje po kulové ploše rozkládá na jednotlivé lineární dráhy, které v zadané toleranci reprezentují tvarovou plochu. Obrobený povrch tedy nemůže být vyroben jako dokonale kruhový. Jisté zlepšení se nabízí použitím spline interpolace, kterou se bohužel zatím u stávajícího systému Heidenhain TNC 426 nepodařilo s výrobcem systému realizovat. Vyrobená součást je znázorněna na následujícím obrázku (obr. 3).

Pro stopkovou frézu s kulovým vrchlíkem byl volen posuv 1000 mm/min a otáčky vřetena 7990 ot.min^-1. Celá součást se obráběla cca 24 minut a při obrábění bylo využito vnějšího chlazení řeznou kapalinou.

Digitalizace součásti

Digitalizace vyrobené součásti byla provedena na tom samém CNC stroji, na kterém byla součást i vyrobena. Do vřetena stroje byla upnuta měřicí analogová sonda. Před vlastním snímáním bylo nutno měřicí dotykovou sondu zkalibrovat pomocí kalibračního kroužku, který se upnul na lože vedle součásti. S ohledem na tvar snímané součásti byl zvolen průměr dotyku 6 mm.

Celá součást byla nejprve nasnímána snímacím cyklem meandr, který je vhodný na relativně rovné plochy a kterým lze zároveň nasnímat celou součást. Součást byla nejprve nasnímána ve směru osy X, následně byla celá součást nasnímána opět cyklem meandr pod úhlem 45⁰ k ose X. Parametr rozteč řádků byl volen 1 mm a parametr rozteč bodů na řádce 0,5 mm

Použitím dvou variant cyklu meandr bylo získáno dostatečné množství bodů, které však dobře reprezentovaly jen plochy rovinné. Pro získání dalších digitalizovaných dat, zejména ze šikmých a kolmých ploch, bylo použito cyklu vrstevnice, který je na tyto plochy vhodnější. Cyklem vrstevnice byly tedy dodatečně nasnímány šikmé plochy vybrání, kolmé plochy vnějšího vybrání a seříznutý vrchlík. Pro jednotlivé plochy bylo zapotřebí upravit pracovní rozsah, parametr rozteč bodů na řádce byl volen stejný jako u cyklu meandr. Směr snímání byl zvolen ve směru hodinových ručiček. U cyklu vrstevnice navíc do procesu snímání zasahuje parametr směr přesazení sondy, který je definován znaménkem u volené rozteče linií (vzdálenost mezi jednotlivými vrstevnicemi). Rozteč linií byla volena 1 mm. Směr přesazení byl u snímání vrchlíku a kolmých ploch vnějšího vybrání volen kladný, snímací sonda tedy snímala povrch po vrstevnici odspodu nahoru. U snímání šikmých ploch vnitřního vybrání byl volen směr přesazení opačný.

Vrchlík se při použití cyklu vrstevnice nepodařilo nasnímat celý, došlo zde k zacyklování sondy způsobenému malým přírůstkem v ose Z a velkou vzdáleností drah v rovině XY. Vrchlík byl tedy nasnímán cca do 2/3 své výšky. Zbývající část vrchlíku byla nasnímána cyklem meandr, při snímání celé součásti.

Posuv pří digitalizaci byl u všech cyklů volen 1000 mm.min^-1. Tento parametr přímo ovlivňuje rychlost digitalizace a tím i přesnost získaných dat. Minimální posuv byl volen 200 mm.min^-1.

Editace nasnímaných dat, tvorba nové součásti

Získaná data ze snímacích cyklů (meandr a vrstevnice) bylo ještě potřeba před importem do systému Catia upravit. CNC systém Heidenhain ukládá digitalizovaná data formou NC programu v programovacím jazyce Dialog (viz níže). Takto uložená data se přímo hodí k přímému zpracování dat na NC program. Je zde zapotřebí jen doplnit řezné podmínky do NC programu a osadit stroj příslušnou frézou o stejném tvaru jako dotyk sondy.

V případě, že se digitalizovaná data použijí nepřímo ke zpracování na NC data, je potřeba vygenerovaný program v jazyce Dialog upravit.

Zápis nasnímaných dat vypadá následovně:

0 BEGIN PGM JABL1 MM

1 BLK FORM 0.1 Z X-5 Y-5 Z-30

2 BLK FORM 0.2 X+65 Y+65 Z+0

3 L Z+60 F400; NCP

4 TOOL CALL 1 Z S500

5 L X-4 Y-4 F MAX; NCP

6 L Y-3,999 X-3,995 Z-30

11544 L Y+64,002 X+64,037 Z-30

11545 L Z+60 F MAX ; NCP

11547 END PGM JABL1 MM

Zápis nasnímaných dat je potřeba upravit a odfiltrovat do následující formy, vhodné k načtení do systému Catia V5 (načtení mraku bodů):

X-3,995;Y-3,999;Z-30

X+64,009;Y-3,998;Z-30

X+64,016;Y-3,998;Z-30

X+64;Y-3,002;Z-30

X+64,001;Y-2,994;Z-30

Před načtením dat do CAD/CAM systému Catia došlo ke spojení všech upravených dat ze snímacích cyklů do jednoho souboru. Tím vznikl jeden mrak bodů, který obsahuje veškerá data získaná z digitalizace. Tento ucelený mrak bodů (obr. 4) byl poté načten do CAD/CAM systému Catia, v modulu Shape.

Dalším krokem bylo postupné převedení mraku bodů na plochy, se kterými je možné dále pracovat. Systém Catia nabízí celou škálu funkcí, jež slouží k vytvoření korektních ploch. K vytvoření jednotlivých elementů bylo použito funkce, která je schopna proložit mrak bodů různými elementy. K dispozici se nabízí rovina, koule, válec, kužel. U ploch, které nebylo možné proložit elementem, bylo využito funkce, jež umožňuje vytvoření skenů pomocí řezů. Z těchto skenů v řezech se použitím další funkce dají vytvořit křivky, ze kterých lze vytvořit plochy reprezentující daný povrch.

Postup tvorby modelu byl tedy následující: Po načtení mraku bodů byly plochy, které bylo možné proložit elementy, proloženy. Správnost proložení je možné si ihned ověřit distanční analýzou, která graficky znázorňuje odchylky mezi body a proloženou rovinou. Ačkoliv plochy vnitřního vybrání tvoří kuželové elementy, nebylo je možné proložit. Systém neumožnil proložení, resp. proložení provedl, ale bylo nesmyslné.

Ostatní plochy byly vytvořeny pomocí ploch z křivek, které byly získány ze skenů v řezech. Tyto plochy pak reprezentují povrch (viz obr. 5).

Každá vytvořená plocha byla podrobena distanční analýze, při proložení nebylo dosaženo větší odchylky než 0,02 milimetru. Jedinou výjimkou je proložení seříznutého vrchlíku, kde došlo sice k maximální odchylce proložení 0,03 mm, ale došlo zde k posunutí a změně poloměru proloženého elementu oproti rozměrům v navržené součásti. Tato nepřesnost byla způsobena špatnou jakostí obrobeného vrchlíku, vlivem rozložení dráhy nástroje na jednotlivé lineární elementy. Vytvořený povrch je ještě třeba přesadit (offset) funkcí o poloměr dotyku sondy. Poslední fází je vyplnění daného povrchu - vytvoření objemové modelu.

Výroba nové součásti

Na objemový model nové součásti (kopie) byla použita totožná technologie obrábění jako na první originální model. Jediným rozdílem je použití jiné technologické operace k dokončení vnějšího ubrání. Svislé plochy vnějšího ubrání, které jsou na prvním modelu opravdu svislé, nejsou úplně svislé na modelu druhém. Je to důsledek úpravy a proložení nasnímaných dat. Jde tudíž o složitější tvarovou plochu, na kterou je nutno použít jinou operaci. Použité nástroje i řezné podmínky byly ponechány jako u výroby první součásti.

Vyhodnocení odchylek

K vyhodnocení přesnosti reprodukce digitalizovaných ploch obou součástí byl použit souřadnicový měřicí stroj LK 2000 CNC, vybavený spínací dotykovou sondou. Do příslušného programu měřicího stroje byl importován původní model z CAD/CAM systému Catia. Na tomto modelu bylo určeno cca 100 kontrolních bodů, které byly potom proměřeny. Nejprve byl změřen originál a poté kopie součásti. Výstupem z toho měření je tabulka hodnot, ve které jsou uvedeny jak souřadnice importovaného prvotního modelu, tak i modelu digitalizované kopie a samozřejmě také odchylka mezi těmito dvěma modely.

Výstupem tedy nejsou jen odchylky mezi originálem a kopií, ale také odchylky mezi počátečním počítačovým modelem a oběma vyrobenými součástmi. V našem případě, kdy nás zajímaly odchylky mezi kopií a originálem, bylo potřeba získaná data z měření upravit.

Upravené výsledky jsou znázorněny v grafech na obrázku 9 a 10. Z nich je patrné, že v některých případech jsou odchylky mezi originálním modelem a kopií značné. Je také patrné, že již první originální součást vyrobená na CNC stroji neodpovídá svou přesností počítačovému modelu.

Závěr

Hlavním výstupem, který má nesporný vliv na hodnocení celého procesu reverzního inženýrství na navrženém modelu, je bezesporu srovnání obou vyrobených součástí na souřadnicovém měřicím stroji. Důraz je kladen především na rozměrovou shodnost kopie s originálem. Vybrané kontrolní body v dostatečné míře ukazují, v jakých odchylkách se nalézají plochy kopie k originálu. Zde však nastává problém, do jaké míry je toto srovnávací měření objektivní. Měření sice ukazuje přesné hodnoty odchylek v daných kontrolních bodech, ale do komplexního hodnocení je zapotřebí zahrnout další ovlivňující faktory. Podstatným ovlivňujícím faktorem je převod mraku nasnímaných bodů na plochy. Z kontrolního měření je patrné, že nejlépe proložené byly body všech rovinných elementů. Naopak nejhůře dopadlo proložení v šikmých plochách vnitřního ubrání. Hlavním důvodem byla zvolená metoda proložení, v tomto případě byly zvoleny křivky ze skenů.

Z naměřených odchylek je patrné, že již první součást se liší od svého počítačového modelu odchylkou až 0,06 mm. Nabízí se zde tudíž otázka, do jaké míry je CNC schopen vyrábět přesné výrobky. Může se totiž stát, že model vytvořený z digitalizovaných dat je relativně přesný (odchylka do 0,02 mm), avšak výrobní stroj není schopen vyrábět s dostatečnou přesností. Odchylky vzniklé vlastní digitalizací se sčítají s odchylkami vzniklými nepřesností stroje. Značný vliv na větší odchylky (zejména na vrchlíku) i na jakost povrchu má rozložení dráhy nástroje na jednotlivé lineární elementy lineární interpolací. Z těchto důvodů budou výzkumné práce v této oblasti zaměřeny především na výzkum vlivu obráběcího stroje, jeho mechanické konstrukce pohonů a na vliv dynamiky na výslednou přesnost vyrobené součástky.

Výsledné hodnocení je tedy ovlivněno celou řadou faktorů, které mají vliv na výsledek. Za předpokladu, že z porovnávacího měření vyloučíme chybu digitalizace vnitřního zkosení, získáváme maximální absolutní odchylku mezi kopií a originálem 0,06 mm. Průměrná odchylka mezi kopií a originálem se pohybuje pod hranicí 0,04 mm. Vzhledem k výše zmíněným faktorům se jeví dosažená přesnost kopie vůči originálu jako dostačující.Publikované výsledky byly dosaženy v rámci řešení projektu GAČR 101/105/2561 "Počítačová podpora technologické přípravy výroby tvarově složitých ploch".

Bc. Zbyněk Jablonka

Ing. Jan Hnátík
Fakulta strojní Západočeské univerzity v Plzni, katedra technologie obrábění
Použitá literatura:

[1] Internet: http:\robo.hyperlink.cz

[2] Heidenhain: Příručka obsluhy, TNC 426

[3] Dobrovolný, J.: Předdiplomní projekt - Zpracování digitalizovaných dat při snímání tvarové plochy, ZČU Plzeň, 2002

[4] Jablonka, Z: Bakalářská práce - Tvorba NC programů na základě digitalizovaných dat v reverzním inženýrství, ZČU Plzeň, 2004
Obrázky, schémata a grafy naleznete v tištěné podobě časopisu.

Reklama

Měření ve strojírenství

Vydání #10

Říjen 2005

Technologie spojování a dělení materiálu

Kód článku: 51003

Datum: 12. 10. 2005

Rubrika: Inovace / Měření

Autor:

Firmy

Související články

Kontrola rotačních součástek v sériové výrobě

Hřídelové a kotoučové součástky patří k nejrozšířenějším ve strojírenství. S nástupem elektromobility jejich podíl zřejmě ještě poroste. Sériová výroba běžně pracuje v sekundovém taktu, a stejně tak rychlá musí být nově i kontrolní technika. Stoprocentní kontrola se již stává samozřejmostí.

Měření v rámci celého výrobního řetězce

Na cestě k aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 se měřicí a kontrolní technologie čím dál víc používají jako řídící nástroj ve výrobě. V rámci plnění této nové role ale potřebují pružněji a rychleji zachytit kvalitativní údaje na různých místech: v měřicí laboratoři, v těsné blízkosti výrobní linky, stejně tak jako přímo v ní.

Přesné měření libovolného materiálu nebo povrchu

Společnost Keyence uvedla na trh řadu konfokálních snímačů polohy CL-3000 pro vysoce přesné měření na jakémkoliv materiálu nebo povrchu. Tyto vysoce kompaktní koaxiální laserové snímače polohy pomáhají s takovými úkoly, jako je zlepšování kvality, prevence dodávek nevyhovujících dílů a zvyšování objemu výroby.

Aktuální vydání

Duben 2024

Téma měsíce

Laserové a aditivní technologie

Výběr z aktuálního vydání

Flexibilita ručního laserového svařování Inovace v automobilovém průmyslu, Část 6. Digitalizace výroby Inovativní geometrie řezné hrany pro hliník Nepovinná certifikace jako priorita

Související články

Plováčkové průtokoměry na olej

Výrobou přístrojů pro polní instrumentaci se dlouhodobě a úspěšně zabývá celosvětově působící společnost Kobold Messring. Do jejího hlavního programu patří průtokoměry, teploměry, hladinoměry a tlakoměry.

Reklama

Související články

Měřicí technologie pro Průmysl 4.0 v Nitře

Průmysl 4.0 závisí na propojení systémů schopných spolu komunikovat, schopných získávat, vyhodnocovat a sdílet data a na takto zpracované informace reagovat v reálném čase. Údaje z měření jsou nezbytné pro shromažďování informací, které mají být použity při inteligentním rozhodování za účelem zabránit nežádoucím procesním změnám.

Měřicí technika se stává součástí výrobních strojů

Vzhledem k tomu, že jednou z aktivit České metrologické společnosti, z. s., je mimo jiné také sledování prezentace aktuálních metrologických novinek, trendů vývoje a zastoupení metrologie na veletrzích pořádaných v České republice i v zahraničí, navštívili jsme mimo jiné veletrh Toolex 2017, který se již po desáté konal v polském městě Sosnowiec na třetím největším výstavišti v Polsku – Expo Silesia.

Měřicí přístroje pro efektivní výrobu

Jestliže jsou nástroje přesně zaměřeny a seřízeny ještě před samotným obráběním mimo obráběcí stroj, lze následně zkrátit vedlejší neproduktivní časy na stroji a zvýšit tak celkovou efektivitu výroby. Přístroje pro měření a seřizování nástrojů mohou v samotném procesu třískového obrábění zajistit zvýšení produktivity až o 25 %, a to při velmi dobrém poměru cena/výkon. Úspěšné obrábění tedy vyžaduje nejen výkonné stroje, ale i přesně seřízené nástroje.

Velmi přesný měřicí stroj pro výpočetní tomografii

Nový model TomoCheck S HA (High Accuracy) 200 společnosti Werth Messtechnik GmbH se senzorem pro výpočetní tomografii je aktuálně nejpřesnějším souřadnicovým měřicím strojem na světě.

Jak dokonale měřit průtok

Pro měření průtoků v průmyslových závodech nebo pro testování složení protékající tekutiny dnes existuje řada snímačů průtoku a průtokoměrů, které lze použít v nejrůznějších pracovních prostředích. Mnohé z nich pocházejí z dílny společnosti Kobold Messring GmbH.

Konfirmace měřidel

Příspěvek se zabývá problematikou zajištění návaznosti měření a rozebírá obvyklé metrologické čin-nosti, které jsou za tím účelem prováděny. Zákon o metrologii i běžná praxe zmiňují jako základní postupy kalibraci nebo ověření stanovených měřidel. Kalibrace je postup vedoucí k dosažení způsobilého měřidla ve dvou logických krocích podle definice VIM. Vždy musí být zjištěn aktuální stav měřidla – provádí se zkouškou, která ověří, zda je měřidlo způsobilé plnit dané specifikace, či nikoliv. Nezpůsobilé měřidlo se musí kalibrovat nebo vyřadit. O výsledku je vydán doklad (kalibrační certifikát), jímž je potvrzena způsobilost z dřívější kalibrace nebo způsobilost dosažená kalibrací novou. Zvláštní pozornost je věnována kalibraci měřidel řízených softwarem, např. u souřadnicových měřicích strojů.

Střípky ze svátku metrologie

Ještě před letošním svátkem metrologů, jenž se slaví 20. května, se konala tradiční metrologická událost světového rozsahu – veletrh Control v německém Stuttgartu.

Optický CMM skener

Firma Creaform letos v dubnu představila nový model 3D skeneru MetraScan 3D, který díky svým inovacím a parametrům nastavuje nový standard v oblasti metrologie a laserového 3D skenování.

Expimer - expresní zařízení pro rychlé stanovení materiálových vlastností

Expimer, prezentovaná instrumentovaná měřicí soustava pro stanovení mechanických vlastností materiálů indentační metodou, může být alternativním způsobem, jak rychle definovat materiálové vlastnosti. Celý proces spočívá v tom, že na základě parametrů získaných v průběhu makroprocesu automatizovaného vtlačovaní indentoru kulového tvaru (ABI) do povrchu materiálu bez porušení konstrukce, lze rychle zjistit požadované materiálové vlastnosti. Tato metoda je jedinečná vzhledem k jednoduchosti, rychlosti vyhodnocení, manipulovatelnosti a užitečnosti pro stanovení mechanických vlastnosti materiálů během jejich vývoje, výroby a zejména v pracovních podmínkách provozu.

Multisenzorová souhra - měřicí stroje s pevným portálem

Po mnoho let se souřadnicové měřicí stroje společnosti Werth Messtechnik GmbH osvědčují při měření s více snímači umístěnými na dvou nezávislých osách. Nebezpečí kolize mezi snímačem a obrobkem se tak podstatně sníží, protože senzory, které nejsou používány, jsou zasunuty.

Reklama

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem.

Proč jsme nejlepší?

Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici
Vysoký podíl redakčního obsahu
Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

Předplatit