Samocentrovatelná hlava - šikovný pomocník se širokým záběrem

Aparatura označovaná jako samocentrovatelná hlava slouží k rychlé kalibraci a diagnostice přesnosti obráběcích strojů. V zásadě jde o zařízení schopné stanovit polohu středu přesné koule ve třech vzájemně kolmých směrech. Základ hlavy tvoří tři vysoce přesné, kapacitní snímače lineárního přestavení, prostorově orientované po 120°. Součástí instalace aparatury na obráběcí stroj je provedení krokovacího algoritmu. Tento algoritmus slouží k přepočtu odchylek měřených zmíněnými kapacitními snímači do souřadného systému obráběcího stroje. Z výše popsaného principu měření vyplývá poměrně široké spektrum aplikací. Jmenovitě jde o měření vybraných parametrů geometrické přesnosti tříosých až pětiosých obráběcích strojů včetně dynamických měření pohybu při součinnosti lineárních a rotačních os. V neposlední řadě je přístroj perspektivní i pro „nestandardní“ aplikace v oblasti výzkumu a vývoje.

Komplexní diagnostika přesnosti rotačních os včetně testování součinnosti rotačních a lineárních os je realizována v uspořádání „samocentrovatelná hlava a jedna přesná koule“. Koule je zpravidla unášena rotační osou (umístěna např. excentricky na rotačním stole) a samocentrovatelná hlava (upnutá do vřetena) sleduje pohyb koule pomocí pohybů os lineárních. Měření může být koncipováno jako statické nebo dynamické.

Statické měření spočívá v inkrementálním polohování koule v rámci rozsahu pohybu rotační osy. Samocentrovatelná hlava pak s vysokou přesností určuje prostorovou odchylku polohy středu koule v dílčích pozicích měření. Výrobcem udávaná nejistota měření se pohybuje pod hranicí 0,6 µm. Test je určen pro kalibraci kinematických parametrů rotačních os. Výstupem jsou odchylky od žádané polohy promítnuté do souřadného systému stroje. Dalším zpracováním získaných dat v pokročilém softwaru, jež je součástí aparatury, jsou vypočteny korekční hodnoty pro softwarovou kompenzaci kinematických odchylek rotační osy. Jedná se o odchylku skutečného středu otáčení a odchylku kolmosti rotační osy k příslušné lineární ose. Naměřená data mohou být zobrazena v lineárním grafu buď jako odchylky ve směru X, Y a Z, nebo jako odchylky v jednotlivých rovinách souřadného systému stroje, případně lze data zobrazit v polárním grafu. Po zavedení těchto kompenzačních konstant do řídicího systému stroje je vhodné ověřit jejich funkčnost opakovaným měřením.

Dynamické měření, též označované jako „follow the ball“, je efektivním nástrojem pro ověření kinematické přesnosti víceosých pohybů u CNC strojů, například v rámci přejímacích zkoušek. Sledována je přesnost držení polohy bodu v prostoru při souvisle řízeném, víceosém pohybu. Postup zkoušky a vyhodnocení výsledků jsou v souladu s normou ISO 10791-6. Norma definuje testy přesnosti pohybu tvořeného interpolací tří až pěti strojních os. Vždy jde o součinnost alespoň jedné rotační a dvou lineárních os. Zkoušky jsou aplikovatelné na stroje s kolébkou a otočným stolem, stroje s dvouosými otočnými frézovacími hlavami, kombinaci výše jmenovaných či další multifunkční obráběcí stroje.

Data mohou být zaznamenávána s frekvencí vzorkování až 6,5 kHz, což umožňuje jejich pokročilé zpracování v přidruženém softwaru. Obdobně jako ze statického měření lze vyhodnotit korekce kinematických odchylek rotační osy a zobrazit data v lineárních a polárních grafech. Dále je software schopen provést FFT analýzu a stanovit tak parametry vibrací (frekvence, amplituda) vyskytujících se na stroji během testu. Analyzováno může být kmitání do frekvence 500 Hz. Výsledky jsou znázorněny graficky, zvlášť pro směry X, Y a Z souřadného systému stroje. Díky FFT analýze lze posuzovat celkový stav stroje, respektive odhalit původ možných problémů s přesností stroje. Příklad dynamického měření, včetně zobrazených výsledků je znázorněn na obr. 2 a obr. 3. Jde o měření součinnosti os X, Z a B na multifunkčním soustružnickém centru s frézovacím vřetenem. Za povšimnutí stojí ostré špičky spojené s rozjezdem a zastavením pohybových os. Špičky jsou přítomny především ve směru X a Z, tedy ve směru pohybu lineárních os. Skokové odchylky ve směru Y jsou pak způsobeny spínáním a vypínáním brzdy na ose B.

Měření prostorové přesnosti a kalibraci lineárních os lze realizovat pomocí samocentrovatelné hlavy v kombinaci s kalibrovaným měřicím artefaktem. Měřicí artefakt sestává z dutého profilu, vyrobeného z uhlíkových vláken, na němž jsou v přímce upevněny keramické koule o průměru 22 mm. Poloha všech koulí je známa z kalibračního měření s nejistotou (1,0+0,001.L) µm, kde L je vzdálenost konkrétní koule od první koule na artefaktu. Proces ustavení aparatury na stroj obsahuje vytvoření transformační matice, která slouží k přepočtu odchylek do souřadného systému stroje. Dále je nutné určit pozici a orientaci artefaktu v pracovním prostoru testovaného stroje. To je realizováno najetím samocentrovatelné hlavy na tři vybrané kuličky na artefaktu v ručním režimu ovládání stroje. Software poté vygeneruje měřicí partprogram, který realizuje automatické polohování stroje na všechny kuličky artefaktu. Aparaturu lze využít pro testování jednotlivých lineárních os (artefakt ustaven rovnoběžně s testovanou osou) či pro zkoušku diagonálního přestavení nebo komplexní ověření volumetrické přesnosti (artefakt ustaven diagonálně či obecně v pracovním prostoru). Postup zkoušek a vyhodnocení výsledků je v souladu s příslušnými normami ze souboru ISO 230. Ze získaných prostorových odchylek polohy jednotlivých koulí lze vyhodnotit odchylky polohování, přímočarosti pohybu jednotlivých os či vůle v mechanismech polohování. V případě pětiosých strojů lze při měření využívat rotační osy pro přestavení artefaktu a znásobit tak počet měřených bodů. Zároveň je do měření zahrnut i vliv odchylek pohybu a polohy rotačních os.

Samocentrovatelná hlava je silným nástrojem, který umožňuje komplexní diagnostiku přesnosti obráběcích strojů. Využití nachází především v oblasti pětiosých frézovacích center a multifunkčních obráběcích strojů, respektive na strojích, kde dochází k součinnosti lineárních a rotačních číslicově řízených os.
Princip měření a rychlost jednotlivých zkoušek jsou výbornými předpoklady i pro další, nestandardní využití samocentrovatelné hlavy v oblasti výzkumu a vývoje nových metod testování přesnosti obráběcích strojů. Jmenovat lze například současně běžící projekt v rámci projektu Centrum kompetence – Strojírenská výrobní technika, realizovaný naším pracovištěm, jehož náplní je výzkum vlivu teplotních deformací obráběcího stroje na změnu volumetrické přesnosti.
Veškeré služby spojené s měřením samocentrovatelnou hlavou nabízí zkušební laboratoř VCSVTT.

Ing. Martin Morávek

VCSVTT, FS ČVUT v Praze

M.Moravek@rcmt.cvut.cz