Общие сведения о погрешностях обработки поверхностей деталей на станках с чпу

Станки должны обеспечивать требуемую траекторию взаимного перемещения обрабатываемой заготовки и инструмента. Однако вследствие элементарных погрешностей – реальная траектория отли- чается от требуемой. В некоторых случаях (при рассмотрении откло- нений формы, расположения поверхностей детали) погрешности станка являются доминирующими. Необходимо уменьшить погреш- ности станка до величин, в 3–5 раз меньше по сравнению с наимень- шими допустимыми погрешностями поверхностей деталей, обраба- тываемых с использованием этого станка.

Необходимая точность станков обусловлена совершенством их конструкции, погрешностями, возникающими при изготовлении де- талей и сборке станка, и погрешностями, допустимыми при наладке и регулировании технологической системы. В наибольшей степени на точность обработки влияют погрешности станка (включая кинемати- ческую точность механизмов, погрешность позиционирования рабо- чих органов станка и т. п.). Кроме этого, важным является уменьше- ние чувствительности станка к внешним и внутренним воздействиям (силовым, тепловым и т. п.). По мере изнашивания начальная точ- ность станка меняется. Поэтому следует осуществлять контроль, ос- мотры, проверку точности и периодическое регулирование узлов станка, которые обеспечивают длительное сохранение требуемой точности.

Точность позиционирования рабочих органов определяется не только точностью самого станка, но и зависит от типа системы ЧПУ (конструкции, места установки ИП, точностных параметров ИП и т. д.). Так, при использовании шагового привода погрешность переме- щения рабочих органов станка определяется погрешностью отработ- ки шаговым двигателем командных импульсов, погрешностями гид- роусилителя, зубчатой передачи и передачи винт – гайка, а также по- грешностями рабочего органа станка.

При применении следящего привода подачи с замкнутой схемой управления наблюдается два вида погрешностей, снижающих точ- ность перемещений рабочих органов [9]:

1) погрешности элементов привода подачи и рабочего органа, не охватываемые системой обратной связи;

2) погрешности результатов измерения перемещения или угла поворота рабочего органа станка измерительным преобразователем.

Первая группа погрешностей появляется в основном при ис- пользовании систем обратной связи с круговым ИП. Преобразователи устанавливают на ходовом винте или измеряют перемещение рабоче- го органа через реечную передачу. В первом случае система обратной связи не учитывает погрешности передачи винт – гайка (накоплен- ную погрешность по шагу ходового винта; зазоры в соединении винт

– гайка и в опорах винта; упругие деформации ходового винта, его опор и соединения винт – гайка; тепловые деформации ходового вин- та и др.), а также погрешности рабочего органа (отклонения от пря- молинейности и параллельности перемещений; зазоры в направляю- щих; упругие деформации рабочего органа и др.). Во втором случае на точность измерений влияют погрешности реечной передачи (нако- пленная погрешность по шагу рейки, ее тепловые деформации, зазо- ры в зацеплении и др.).

Погрешность результатов измерения угла поворота или пере- мещения рабочего органа станка обусловливается погрешностью ИП, вызванной погрешностями его изготовления и установки на станке, погрешностями, которые появляются в процессе эксплуатации ИП и станка. Так, при эксплуатации линейных ИП может меняться величи- на зазора между его подвижными и неподвижными элементами.

В общем балансе погрешностей обработки на станках с ЧПУ значительную долю занимают погрешности, обусловленные тепло- выми деформациями механизмов станка, приводящими к изменению относительного положения инструмента и заготовки в направлениях осей координат X, Y, Z и угловых поворотов вокруг этих осей. Их зна- чение и направление действия в значительной степени определяется компоновкой и конструкцией базовых деталей и механизмов станка и размещением тепловыделяющих элементов относительно базовых де- талей и механизмов станка, они зависят от качества изготовления и сборки станка и условий его эксплуатации.

Наибольшее влияние на температурные деформации оказывают собственные источники тепла станка и устройства ЧПУ, выделяющие тепло вследствие:

1) превращения электрической энергии;

2) превращения механической энергии (потери на трение в под- шипниках шпинделя, в зубчатых и червячных передачах, в передаче винт – гайка, в фрикционных муфтах и тормозах, в направляющих, в местах уплотнения валов и др.);

3) потери энергии в гидроустройствах станка.

Электрические и механические потери в станке могут достигать 30% мощности, подводимой к станку. Значительными внутренними источниками тепла в станке являются опоры шпинделя. Температур- ные деформации подшипников шпинделей изменяют предваритель- ный натяг в них и могут привести к повышенному изнашиванию подшипников.

При работе станка с ЧПУ происходит неравномерный нагрев его механизмов и деталей, вызывающий изменение их размеров, формы и относительного положения в пространстве, что приводит к измене- нию положения оси шпинделя относительно стола координат нуле- вой точки; отклонению от прямолинейности перемещения подвиж- ных органов станка; нарушению стабильности работы систем обрат- ной связи и др.

Точность станков с ЧПУ повышается путем рациональной ком- поновки и конструирования основных базовых деталей и механизмов, применения в приводах подач высокомоментных электродвигателей постоянного тока, синхронных и асинхронных двигателей с водяным охлаждением, беззазорных механизмов и устройств, имеющих высо- кий КПД, направляющих с малыми потерями на трение, стабилиза- ции или компенсации отдельных погрешностей станка предыскаже- нием программы управления, введением корректирующей программы в память системы ЧПУ при применении дополнительных обратных связей.

Влияние температурных деформаций на точность станков с ЧПУ снижается путем их компенсации (предварительным нагревом до стабилизации теплового поля и температурных деформаций); уменьшением количества тепла, выделяющегося при работе станка; снижением чувствительности станка к изменению температуры на- грева деталей и узлов станка.

Количество тепла, выделяемое в станке, можно уменьшить дву- мя путями: 1) выносом тепловыделяющих механизмов (насосных ус- тановок, приводных двигателей, масляных баков, гидроаппаратуры и др.) из станины или других базовых деталей станка; 2) использовани- ем конструкций с небольшим тепловыделением, что достигается применением шпиндельных подшипников с меньшим тепловыделе- нием; использованием, соответствующего смазочного материала; со- кращением длины кинематических цепей. Зубчатые и клиноременные передачи рекомендуется размещать так, чтобы потоки воздуха уноси- ли часть выделяемого тепла.

Уменьшение «чувствительности» станка к изменению его теп- ловых полей достигается изготовлением деталей станка из материа- лов с малым коэффициентом линейного расширения, теплоизоляцией источников тепла, созданием термосимметричной конструкции стан- ка и его механизмов. Влияние температурных деформаций может быть уменьшено соответствующим взаимным расположением фикси- рующих элементов, например упорных подшипников в шпинделе (в передней или задней опоре), места крепления шпиндельной бабки на станине и др.

Эффективным методом снижения температурных деформаций является охлаждение станка, включая его активные элементы (под- шипники шпинделя, муфты, тормоза, электродвигатели и др.), и пас- сивные элементы, переносящие тепло (масла и охлаждающие жидко- сти) путем создания естественного или искусственного потока возду- ха, отвода тепла с помощью охлаждающих устройств и др.

При обработке заготовок деталей на станках с ЧПУ точность диаметральных размеров зависит от погрешности наладки инстру- мента вне станка, погрешностей изготовления прибора для наладки инструмента, оправок, конусного отверстия в шпинделе станка. Обычно применение инструмента, налаженного вне станка, обеспе- чивает получение диаметральных размеров по 8–9-му квалитету. При более высоких требованиях к точности необходима подналадка инст- румента на станке.

Погрешность формы в продольном сечении отверстия определя- ется отклонением от прямолинейности перемещений шпинделя или стола станка в осевом направлении, упругими и температурными де- формациями технологической системы, размерным износом инстру- мента, уводом инструмента.

Погрешность формы отверстия в поперечном направлении оп- ределяется периодическими смещениями инструмента и заготовки в процессе обработки (за один оборот), обусловленными изменением параметров режима (в первую очередь глубины резания из-за неточ- ности заготовки), параметров станка (кинематических погрешностей, неравномерной жесткости) и технологической оснастки (например, неодинаковой жесткости кулачков патрона).

Погрешности воспроизведения на детали контура, заданного программой управления, складываются из многих факторов как кон- структивных, определяемых принципом действия устройства ЧПУ, приводов, конструкций элементов станка, так и технологических, обусловленных режущим инструментом, приспособлением, режимом обработки материалом детали и т. д.

К типовым конструктивным погрешностям обработки, свойст- венным станкам с ЧПУ, относят [9]:

1) скоростную погрешность следящего привода;

2) погрешность, возникающую в связи с неравенством и непо- стоянством коэффициентов усиления приводов подач по разным ко- ординатам перемещения станка, а также с изменением их при изме- нении подачи; такие явления имеют место, например, при нелинейно- сти (несимметричности, синусоидальности) статической характери- стики фазового дискриминатора в рабочей зоне;

3) погрешность вследствие зазоров в кинематических цепях станка, не охваченных обратной связью;

4) погрешность в результате колебательности приводов, которая приводит к ухудшению качества обработки, в основном, из-за появ- ления неравномерной волны на обрабатываемой поверхности, шаг которой зависит от скорости подачи, т. к. частота колебаний привода сохраняется примерно постоянной;

5) погрешность вследствие периодической внутришаговой по- грешности датчиков обратной связи, главным образом, фазовых; эта погрешность выражается в появлении волны на обрабатываемой по- верхности, шаг которой зависит от цены оборота фазы приводов и от угла наклона обрабатываемого контура детали к направлениям пере- мещений рабочих органов по координатам станка.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ЛИНЕЙНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ

Под погрешностью позиционирования ∆хпоз понимается откло- нение действительного положения (например, хi) рабочего органа станка от заданного х: ∆xпоз == xi - х. В ГОСТ 370–81Е принята сле- дующая методика определения погрешности позиционирования. По каждой из осей, по которым проверяют погрешность ∆поз измерения, проводят в j точках, расположенных произвольно примерно с интер- валами L j≈ 0,08 l, где l – длина измеряемого перемещения. В каждом направлении перемещения по оси отдельно осуществляют не менее пяти измерений (i=1, 2, 3, 4, 5). Среднее отклонение от заданного по- ложения рабочего органа в каждой точке j

x

D =1

n

 

n

å D xij i =1

 

. (28)

 

размах отклонений

 

R j = max D xij

 

- min D xij. (29)

Средний размах определяют как среднее арифметическое значе- ний в данной и соседней точках:

R = 1 (R

j 3

j -1

+ R j

+ R j +1)

. (30)

В крайних точках учитывают только одну соседнюю точку, на- пример,

R 1 =

(R 1 +

 

R 2)

 

. (31)

Затем вычисляют оценку среднего квадратического отклонения

 

S j =

R j

d n. (32)

 

где dn – коэффициент, определяемый в зависимости от числа повтор- ных подходов в заданное положение; при п = 5 имеем l/dn = 0,4299; при n= 10 1/dn=0,3249.

Распределение принимают нормальным; тогда ширину поля рассеяния отклонений от заданного положения при повторном пози- ционировании в одном направлении с вероятностью 99,73 % опреде- ляют как ω= 6Sj.

Точность одностороннего повторного позиционирования

(рис.6.1)

R max

= max(

6 S j). (33)

Точность одностороннего позиционирования

M = max(

D x j

+ 3 S j) -

min(

D x j

-3 S j). (34)

Точность двустороннего позиционирования

M ar

= max(D x ja

+ 3 S ja) - min(D x jr

-3 S jr). (35)

где a, r – индексы направления позиционирования.

 

 

D x j, мкм

-2

-4

-6

-8

-10

-12

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

 

Рис. 6.1. График отклонений от заданного положения рабочего органа станка при определении точности линейного позиционирования

 

Значения М и Мar. определяют для тех случаев, когда зависимо-

сти

(D x j + 3 S j); (D x j a

+3 S ja)

и (D x j - 3 S j); (D x j r - 3 S jr)

соответственно при-

нимают наибольшие и наименьшие значения (с учетом знака указан- ных величин); значения j при этом, как правило, не совпадают.

Величина Δпоз зависит от погрешностей устройства ЧПУ, при- вода подач, измерительных преобразователей, геометрических по- грешностей станка и т. п. Погрешность позиционирования обуслов- лена действием как систематических, так и случайных отклонений. В

приводах подач токарных и фрезерных станков с ЧПУ с ходовым винтом и круговым датчиком обратной связи систематические откло- нения обусловлены накопленной погрешностью винта, непараллель- ностью направляющих (систематические отклонения первого рода), внутришаговой погрешностью винта, погрешностью датчика обрат- ной связи (систематические отклонения второго рода, повторяющие- ся за каждый оборот винта). Для указанного привода систематиче- ские погрешности являются доминирующими (в 3–10 раз больше случайных).