Moderní obráběcí stroje mají vynikající parametry, ale jejich přesnost – i těch nových – může být degradována nevhodným umístěním, nesprávnou instalací či nedostatečnými základy, jejichž vlastnosti se navíc mohou časem zhoršovat. Přesnost stroje samotného se může měnit v důsledku teplotních vlivů, aktuální konfigurace stroje i jeho stáří a může být rozdílná podle toho, kde se nachází špička nástroje (TCP). Situaci komplikuje i fakt, že velikost skutečné odchylky od její teoretické polohy je dána superpozicí odchylek ve všech stupních volnosti včetně odchylek přesnosti najetí polohy, přímosti, úhlových odchylek a odchylek kolmosti mezi osami. Typický obráběcí stroj se třemi řízenými osami má nejméně 21 stupňů volnosti a stroje se čtyřmi a více řízenými osami podstatně více. Z toho všeho vyplývá, že výrobcem deklarovaná přesnost stroje se může dost lišit od té, kterou je schopen dosáhnout v běžném provozu. Zjistit problémy s přesností až na vyrobeném dílci je pozdě, zvláště pokud se jedná o komplikovaný a rozměrný obrobek. Snahou je proto zjistit skutečnou přesnost stroje těsně před obráběcím procesem, a to tak, aby proces komplexního zjišťování přesnosti byl časově málo náročný, aby jej bylo možno provádět s minimálními ztrátami kapacity stroje a pokud možno automaticky, popř. online za provozu stroje. Ideálním řešením se jeví zjištěné odchylky automaticky zavádět do řídicího systému stroje a formou automaticky generovaných korekcí se co nejvíce přiblížit ideálnímu stavu. Řešením této problematiky se zabývají výrobci řídicích systémů (Heidenhain, Siemens), dodavatelé měřicích systémů (Renishaw) i výrobci strojů samotných (např. funkce 5-Axis Auto Tuning System strojů Okuma). Je proto logické, že tato problematika je zahrnuta do úkolů řešených Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) na ČVUT v Praze. RCMT : řešené Úkoly Centrum kompetence – Strojírenská výrobní technika je nejvýznamnější a největší grantový projekt, jehož smyslem je zvýšit technickou kompetenci, konkurenceschopnost a produkci nejvýznamnějších producentů strojírenské výrobní techniky. Zastřešuje dlouhodobý aplikovaný výzkum a vývoj oboru; projekty, řešící příbuznou problematiku, jsou seskupeny do celkem 12 tzv. pracovních balíčků WP1–WP12. Přesností strojů se zabývají především pracovní balíčky WP6 a WP9. Pracovní balíček WP6 je zaměřen na vývoj pokročilých systémů pro teplotní kompenzaci obráběcího stroje, v rámci pracovního balíčku WP9 je řešena problematika nových systémů měření a řízení pro zvýšení přesnosti i spolehlivosti. Spadá sem i měření přesnosti obráběcích strojů. Cílem prací je vývoj, návrh a experimentální verifikace metod, které umožní zvýšit přesnost a spolehlivost obráběcích strojů včetně zvýšení jakosti výroby na těchto strojích. Vývoj probíhá v těsné spolupráci s členy řešitelského konsorcia CK – Strojírenská výrobní technika – a soustřeďuje se na metody a zařízení, které mohou být integrovány do strojů v podobě pokročilých teplotních kompenzací, přídavných odměřování deformace a geometrie mechanické struktury stroje a s přímou vazbou na řídicí systém stroje. Ta umožní efektivní kalibraci stroje před jeho uvedením do provozu nebo v rámci rutinních prověrek. Práce realizované v RCMT Kromě standardních metod měření přesnosti obráběcích strojů probíhá ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii i výzkum metod pro pokročilou teplotní kompenzaci strojů, metod pro rychlé měření volumetrické přesnosti strojů a metod pro identifikaci a korekci změny geometrie stroje za jeho provozu. Teplotní kompenzace strojů Pokročilá metoda aproximace teplotních deformací, vyvíjená v RCMT, využívá frekvenčních přenosových funkcí a je vhodná pro použití kompenzace v reálném čase. Problematice pokročilých teplotních kompenzací strojů byl věnován článek v TT č. 10/2015 a v souvislosti s postupem výzkumně-vývojových prací zveřejníme další článek, věnovaný aktuálnímu stavu řešení této problematiky. Měření volumetrické přesnosti Volumetr ická přesnost představuje celkovou odchylku mezi teoretickou (požadovanou) a skutečnou polohou nástroje vůči obrobku ve velkém množství bodů v celém pracovním prostoru stroje. Tato chyba je v průběhu obrábění promítnuta na obrobek jako odchylka od požadovaného tvaru. Účinná identifikace volumetrické chyby je rozhodující pro její následnou kompenzaci a její zjištění představuje náročný úkol. Pro rychlou identifikaci volumetrické přesnosti pracovního prostoru stroje jsou vyvinuty a zdokonalovány následující metody: » Využívání pasivního mechanického redundantního kalibračního zařízení s paralelní kinematikou pro přímé měření TCP v 6 stupních volnosti s vysokou přesností, jehož princip vyvinuli v Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky na FS ČVUT a spolu s RCMT dovedli do fáze funkčního vzorku (obr. 1). Byl navržen potřebný software pro měření a zpracování dat, který umožňuje využití principu samokalibrace zařízení. » Využívání aparatury MT-Check, určené pro rychlé proměření a kalibraci víceosých obráběcích strojů (obr. 2). Zařízení je schopno pomocí vysoce přesných kapacitních snímačů určit polohu středu přesné referenční koule ve třech navzájem kolmých směrech. Dovoluje měřit přesnost pohybu při interpolaci lineárních a rotačních os, tedy vyhodnotit přesnost relativního pohybu nástroje vůči obrobku. Pro zkoumání vlivu teplotních deformací obráběcího stroje na změnu volumetrické přesnosti je aparatura v RCMT používána v kombinaci s více referenčními koulemi (obr. 3), které představují vybrané body pracovního prostoru, v nichž je přímo měřena chyba polohy vlivem teplotně neustálených stavů stroje. » Stávající metody využívající optického bezkontaktního měřicího zařízení Laser Tracker jsou na trhu již dostupné, nedosahují však požadované přesnosti přímého měření polohy TCP. V RCMT jsou proto vyvíjeny metody ke zvýšení přesnosti měření a ke zkrácení času, jež měření samo vyžaduje. » Zcela zásadní pro všechny metody měření volumetrické přesnosti, kdy se z měření chyby v omezeném počtu bodů pracovního prostoru vypočte volumetrická chyba jakéhokoliv bodu v celém pracovním prostoru stroje (obr. 4), je model volumetrické přesnosti. Volumetrická chyba v konkrétním bodě je superpozicí jednotlivých geometrických odchylek strojních os (obr. 5). V RCMT je rozvíjen plný kinematický model stroje a model zjednodušený. První využívá plný popis kinematické struktury stroje včetně geometrických rozměrů a uspořádání strojních os a jeho vstupními daty jsou geometrické chyby pohybu a pozice jednotlivých geometrických os. Tento model je vhodný například pro inprocesní kalibraci stroje s využitím aktuálních hodnot odchylek, zjištěných pomocí nezávislého přídavného odměřování. Zjednodušený inverzní kinematický model stroje lze využít pro rozklad odchylek, zjištěných při měření přesnosti obecné trajektorie pomocí externího měřicího zařízení. Identifikace změny geometrie za provozu V RCMT rovněž vyvinuli metody pro identifikaci uzlů stroje, které se na chybě nejvíce podílejí a zařízení, která jsou schopna tuto chybu ve vybraných uzlech identifikovat. Bylo vyvinuto optické odměřování deformace mechanické struktury, využívající principu přímosti laserového paprsku. Je tvořeno zdrojem paprsku a snímacími prvky v jednom těle zařízení a samostatným pasivním odrážečem, u něhož je vyhodnocován jeho posuv ve třech směrech kolmých k paprsku včetně jeho natočení. Toto zařízení je implementováno do horizontálního vyvrtávacího stroje pro identifikaci a kompenzaci deformace výsuvného smykadla včetně identifikace úhlového natočení čela smykadla. Ing. Petr Borovan
