Přesné obrábění s CNC a dotykovými sondami

Současný sortiment obráběných součástek je ve značné míře vázán na potřeby automobilové výroby a jejich subdodavatelů v oblasti výroby forem, významné místo zaujímají i dílce pro energetiku, letecký průmysl a automatizované provozy, jejichž odběratelé jsou roztroušeni po celé Evropě. Složité dílce s vysokými nároky na přesnost se často obrábějí na jedno upnutí. V řadě případů jsou polotovarem přesné výkovky a odlitky, které pro další opracování vyžadují velmi přesné upnutí a vyrovnání před zahájením obrábění.

Efektivita a přesnost operace upnutí a vyrovnání vyžaduje moderní technické prostředky, které si již stěží vystačí s číselníkovým úchylkoměrem. Právě pro tyto účely je vhodným účinným pomocníkem dotyková sonda. Počátky vývoje dotykových sond s infračerveným přenosem sahají do roku 1985, nicméně dnes je na trhu produkt třetí generace. Rozsah využití na stroji souvisí velmi úzce se softwarovou podporou použitého CNC řízení. I v tomto směru Heidenhain TNC 640 poskytuje řadu funkcí a cyklů nejen pro vyrovnání dílce, nastavení počátku obrábění, ale i pro měření dílce v rámci přesnosti stroje.

Zjednodušeně řečeno, čím vyšší citlivost, tím přesnější výsledky měření. Snaha dosáhnout vysoké citlivosti tříramenné kinematiky dotykového hrotu vedla k opuštění centrální přítlačné pružiny a její nahrazení třemi pružinami s piezoelektrickými kontakty. Nová konstrukce pod názvem TS 740 přinesla výrazné snížení reakce pružin v ose nástroje (0,6 N) a v rovině X-Y (0,2 N) a zvýšení přesnosti na typickou hodnotu 2σ ±0,25 µm při posuvu 250 mm.min-1. Náklady na výrobu byly vyšší než u standardních sond, což bylo pro jejich nasazení určitým limitem, takže se omezilo především na vysoce přesné portálové stroje na výrobu forem (v ČR je vyrábí např. firma Trimill, univerzální portály firma Grey Circle). Jemné uložení hrotu přineslo tedy očekávané výsledky, nicméně rázy při upínání do vřetena mohly nahodile vyvolat zákmit dotykového hrotu, který vygeneroval falešný signál měření. Přestože byl tento jev sporadický, hledali vývojáři společnosti Heidenhain kompromisní řešení ve vyvážení požadavků na vysokou přesnost měření a přiměřenou citlivost kinematiky senzorové jednotky. Východiskem bylo využití tří pružin a optické senzorové jednotky posunuté blíže k bodu dotyku ve smyslu Abbého principu. Nový model byl uveden na trh pod označením TS 460. Dokumentovaná přesnost přístroje uvedená v kalibračním protokolu se pohybuje typicky v hodnotách 2σ ±0,35 µm. Dosažené hodnoty jsou plně postačující i pro kalibraci kinematiky pětiosého stroje.

Pro použití sondy na standardních 3D centrech postačuje provedení s infračerveným přenosem signálu dotykové sondy prostřednictvím transceiveru SE (vysílač/přijímač) s vykrytím stínu odrazu signálu obvodového vyzařování LED sondy. Základní podmínkou je dodržení vizuálního kontaktu sondy a transceiveru. Ale co když přidáme otočný stůl anebo kolíbku? Nebo sondu použijeme pro vyrovnání dílců na vodorovných vyvrtávačkách nebo portálech s vidlicovou hlavou? Dříve se přimontoval další infratransceiver, ale ani tak nebylo úplně vyhráno, dosah infračerveného záření je přibližně 7 m. Konstrukce elektroniky sondy i transceiveru je tedy navržena jako hybridní. Otočným přepínačem se sonda TS 460 jednoduše nastaví od polohy rádiového přenosu a za stejnou cenu je tak zajištěn spolehlivý přenos signálu mezi dotykovou sondou a transceiverem, aniž bychom museli zohledňovat vizuální kontakt obou přístrojů, a to do vzdálenosti 15 až 20 m. Provozní kanál se naladí přímo na transceiveru SE 660.

dě na cenu opravy po nabourání do dílce. Sondy Heidenhain jsou vybaveny modulem kolizní ochrany, umístěným pod čelem nástrojového držáku. Po naražení senzorové jednotky na překážku dojde k vychýlení kolizního modulu a rozpojení signálu ready vyhodnoceného v CNC řízení s následným zastavením posuvu stroje (podobně jako při najetí na koncový spínač). S ohledem na typické hodnoty posuvů pro operace měření sondou je kolizní modul dimenzován na max. rychlost 4 m.min^-1. Vlastní doba relaxace kolizního modulu trvá cca 30 s a dále je možné pracovat bez nutnosti kalibrace sondy – výrobce však kalibraci doporučuje. Spotřeba akumulátorů napájení je rovněž významným parametrem pro hodnocení provozních vlastností dotykové sondy. Speciální hibernační cyklus nastavený v sondách Heidenhain zaručuje trvanlivost lithiových baterií až pro 400 provozních hodin sondy.

Dílec je před měřením nutno očistit od třísek a zbytků chladicí kapaliny. Sonda je vybavena tangenciálními (cyklonovými) tryskami, vyústěnými na čele senzorové jednotky. Tlak (15–20 bar) přivedené chladicí kapaliny zajistí spolehlivé vypláchnutí třísek a následně stlačeným vzduchem (cca 6 bar) zajistí přípravu objektu k měření zcela automaticky bez nutnosti zásahu obsluhy. Automatický postup se s výhodou používá k ověření klíčových rozměrů dílce v rámci mezioperační kontroly za účelem rozhodnutí o eventuálním obrobení na čisto.

Hlavní využití dotykové sondy na obráběcím stroji bylo na samém počátku zaměřeno na elektronické vyrovnání dílce, nastavení počátku obrábění (nulového bodu programu) a vlastní měření dílce na závěr. Obrábění komplexních dílců na pětiosých strojích však postupem času přineslo další nové a nezbytné úlohy pro využití dotykové sondy, které předpokládají jistotu přenosu signálu v obecné poloze osy vřetena (rádio provoz), přesnost sondy (TS 460) a softwarovou podporu CNC řízení (TNC 640). Software Heidenhan umožňuje jednoduše zvládat proměření geometrie stroje jeho obsluhou bez asistence specializovaných firem.

Pětiosé obráběcí stroje jsou vybaveny kolébkovými stoly nebo vidlicovými frézovacími hlavami – tedy dvěma rotačními osami. Komplexní obrábění dílce na jedno upnutí na kolébkovém stole zahrnuje jak technologii hrubování, tak i technologii dokončování, náročnou na výslednou přesnost dílce a kvalitu povrchu. Vzhledem k tomu, že hrubování zatěžuje stroj tepelně i mechanicky, je nutno vzniklé odchylky středů rotačních os před dokončováním vykompenzovat. Heidenhain dodává softwarovou opci #48 KinematicsOPT, která kontrolním měřením středu prizmatické koule dotykovou sondou TS 460 zjistí aktuální polohu středů rotace a následně automaticky vykompenzuje geometrii stroje. Dříve bylo nutno proměření geometrie rotačních os objednávat u specializovaných firem. Dnes se celý složitý proces zúžil na několik stisknutí tlačítek obsluhou stroje.

Automatická kompenzace kinematiky – kontrolní proměření středu prizmatické koule dotykovou sondou TS 460 zjistí aktuální polohu středů rotace a řídicí systém následně automaticky vykompenzuje geometrii stroje.

Důležitým údajem pro obrábění složitých tvarových dílců je určení prostorového úhlu sklonu libovolně sklopené plochy. Předpokladem je pořízení opce #92 3D kompenzace nástroje. V závislosti na směru snímání se určí prostorové odchylky rádiusu kuličky dotykové sondy TS 460 a výsledky se uloží do tabulky 3DTC v TNC 640. Snímáním tří bodů je následně určen sklon sklopené roviny. Výsledek lze uložit jako základní natočení do tabulky vztažných bodů.

Měření bodů obecné plochy je důležitou pomůckou pro ověření přesnosti povrchu formy po obrábění. Cyklus 444 (pouze v automatickém režimu) umožňuje proměřit polohu libovolných bodů nepravidelného povrchu dílce. Kontrolní body z CAD včetně příslušných normálových vektorů Nx, Ny, Nz se uloží do volně definované tabulky 3DTC v TNC 640. Souřadnice definovaných bodů se měří na dílci s podporou cyklu 444 automaticky za chodu NC programu.

Pomocný cyklus 540 umožňuje komparační měření teplotních odchylek dílce kalibračním trnem upnutým ve vřetenu stroje. Naměřené odchylky v rovině obrábění se kompenzují například cyklem 11. Měření teplotních odchylek je obzvláště využíváno před operací dokončování, tedy po hrubování.

Další vývoj dotykových sond a sledování provozních stavů zaznamenal významný skok vpřed využitím datového rozhraní EnDat pro komunikaci nové generace dotykových sond TS 460 s řízením TNC 640. Informace o provozních stavech dotykové sondy byly dosud k dispozici pouze vizuálně barevnou signalizací tříbarevných LED transceiveru. Tento poněkud primitivní způsob signalizace vyžaduje vizuální kontakt s obsluhou stroje, což je v případě rádioprovozu na větší vzdálenosti obtížně splnitelné.

Inovativní řešení Heidenhain umožňuje využitím protokolu EnDat nejen sledovat stav sondy na monitoru CNC řízení, ale při instalaci sondy definovat provozní režim (rádio/infra), naladění provozních kanálů a na sloupcovém diagramu ověřit kapacitu napájecích baterií. Pokud je nutno při snímání polohy sondou pracovat s vyššími posuvy, poskytuje EnDat protokol možnost vytvoření kalibračního záznamu, který se pak linearizuje se skutečným posuvem použitým při měření.

Inovativní technické řešení konstrukce dotykových sond TS 460 s kolizní ochranou a nový způsob komunikace sondy s TNC 640 řízením určuje směr vývoje v dalších letech. Heidenhain tak zdůrazňuje synergii vývoje dotykových sond s aplikačním softwarem, který znásobuje užitnou hodnotu celku. Praktické ukázky měření nástroje a dílce dotykovými sondami na stroji předvede společnost Heidenhain na letošním MSV v Brně na stánku 71 v pavilonu P.

Heidenhain

Ing. Jan Štědrý

stedry@heidenhain.cz

www.heidenhain.cz