Машински факултет Београд Катедра за производно машинство http://www.mas.bg.ac.rs http://cent.mas.bg.ac.rs 2.5.5 МАШИНЕ АЛАТКЕ и РОБОТИ НОВЕ ГЕНЕРАЦИЈЕ АН-10 Мaшине алатке високе тачности АН-10 Машине алатке високе тачности АР-4+АР-5 Разрада тема АН-10 1
Питања 1. Активне носеће структуре машина алатки (питање број 13). 2. Еталони и примери компензација у обрадном систему (питање број 14). 3. Примери машина алатки високе тачности (питање број 15). Машине алатке високе тачности Својствене су бар због једног од следећих разлога: Покривање домена делова високе тачности и макро габарита Смањивање габарита приликом покривања домена мезо и микро машина алатки. Покривање домена мезо и микро обрађених делова помоћу машина алатки макро габарита, када нису расположиве машине претходне групе. 2
Машине алатке високе тачности Сада су машине алатке по правилу нумерички управљане, које могу да се покрену по неком програму после адекватне припреме. И машине алатке високе тачности имају своју доминантну групу са нумеричким управљањем. То би формално значило и да своју високу тачност стварују без директног учешћа човека у њиховом раду Кључни догађаји У домену машина алатки високе тачности, могу се поменути три кључна - револуционарна догађаја: гранична мерила и ласери са ласерским интерферометрима нумерички управљане машине алатке 3
Дефиниције Тачност (мерења) је квантитативна мера степена сагласности резултата (мерења) са референтним националним или интернационалним еталоном. Прецизност поновљивост (машине) је мера способности машине да узастопно поновљиво позиционира алат према обратку под истим условима рада. Резолуција инкремент (машине) је најмања мерна вредност коју мерни систем машине може да региструје. Уз дефиниције тачности Грешка (машине) је разлика између стварног одговора машине на задату наредбу по прописном протоколу програмирања и одговора машине на ту наредбу, очекиваног по том протоколу. или Грешка (машине) је разлика између очекиваног и оствареног по прописаном програму. Уз дефиниције тачности 4
Уз дефиниције тачности Уз дефиниције тачности Прецизна тачна непрецизна тачна Прецизна нетачна 5
Машина алатка високе тачности је прецизна машина алатка која има тачност обраде својствену својој групи машина за одабрану технологију (Т) и затечено време према слици S9.1.1 у АН-9. Дефиниција Редукција, Корекција и компензација грешке Редукција грешке (Error reduction) уклања се нађени узрок грешке или смањује његов утицај Корекција грешке (Error correction) off-line измерити грешку и по добијеном резултату обезбедити корективну активност. Кориговање грешке врши се без накндадних мерења. Компензација грешке (Error compensation) on-line У реалном времену се мере или последице на МА и/или на обрадку и помоћу наменског модела компензују се те грешке. Врши се више мерења грешке и формира модел грешке. На основу модела се формира се стратегија за компензацију грешке. 6
Примери редукције грешака Пример једне врсте компензације без мерења и калибрације може бити туширање машине и ово би се сврстало у редукцију грешке. Разлози: -смањивање термичких помераја на машини без мерења одступања - уместо грешака мери се температура. Редукција грешке УЗРОК Елиминисати узрок НЕМА ГРЕШКЕ Примери редукције грешака Пример смиривања активности структуре Термичке грешке машине могу се значајно смањити, јер се цела машина непрекидно тушира новим термички стабилизованим уљем. 7
Врсте туширања машине споља изнутра споља ваздухом и влагом, одржавањем машине у климатизованој просторији SHP: обливање и хлађење МА помоћу стабилизованог SHP уљем, туширање (обливање) машине Врсте туширања машине изнутра хлађење завојних вретена струјањем воде кроз њих, хлађење EMGV водом ~ уљем, хлађење преносника уљем, стабилизованим помоћу измењивача топлоте, хлађење транслаторних мотора,... 8
Kорекција грешака К1: калибрација грешке - одређивање модела за калибрацију К2: без нових калибрација врши се само корекција грешке Корекција грешака подразумева корекцију програма управљања тако да машина БИТНО смањи грешке. Овде се не користе сензори. Kорекција грешака Пример: Кориговање мерног система на једној оси НУМА Пример таблице корекција Х 0 50 100 150 G 0 1 2 2.5 Kor. 0-1 -2-2.5 9
КОМПЕНЗАЦИЈА ТЕРМИЧКИХ ПОМЕРАЈА ПОМОЋУ АКТИВНЕ НОСЕЋЕ СТРУКТУРЕ МАШИНА АЛАТКИ Носећа структура је непокретни члан механизма машине алатке - затвара петљу сила, задржавајући задовољавајућу геометријску тачност машине алатке. Може бити пасивна и активна (са компензацијом). Активна носећа структура врши себи својствене помераје по алгоритму компензације тако да компензује грешке неког очекиваног типа, нпр. термички помераји, јер су спори. Пример активне носеће структуре: Интелигентни обрадни центар Основна структура интелигентног обрадног центра 10
Концепција једне интелигентне машине Пример АКТИВНЕ НОСЕЋЕ СТРУКТУРЕ МА Интелигентни обрадни центар са вертикалним стубом и крстатстим столом (Х, У) У подножју стуба има претвараче помераја јер је то корен конзоле сензори за мерење деформација сви активни елементи за активна структура компензацију термичке грешке су у корену стуб стуба алат база 11
Узроци померања врха алата Извори топлоте: мотори, овде мотор од ГК, преносници и актуатори, овде ПГК, процес обраде, који машину греје преко алата и обратка, окружење машине, овде ваздух и друга зрачења у просторији. Регистровање одступања Последица: Померање врха алата ~ главног вретена! споља: ласерским интерферометром, изнутра: помоћу сензора на машини. Користе се сензори за мерење помераја на машини, овде на носећој структури, одн. СТУБУ. 12
Компензација грешке Носећа структура машине, овде СТУБ, треба да буде сама себи актуатор, као АКТИВНА структура за елиминисање грешке. АКТИВНИ И ДЕО НОСЕЋЕ СТРУКТУРЕ стуб плочасти хладњаци (16 локација) термоизолациона структура плочасти грејачи (16 локација) сензори за мерење деформација (8 локација) Између грејача и хладњака постављају се изолатори у три слоја! 13
Термички актуатори Термички актуатори Поставка компензације термичких грешака вертикалног обрадног центра VOC EM активна структура а) Концепција машине VOC Термички актуатори b) деформација која потиче од загревања ЕМ за главно кретање в) Деформација после активирања топлотних актуатора враћање само позиције по У оси г) Очекивани РЕЗУЛТАТ КОМПЕНЗАЦИЈЕ: да се врх алата ГВ не помери, одн. враћање и ПОЗИЦИЈЕ и ОРИЈЕНТАЦИЈЕ. 14
АКТИВНЕ НОСЕЋЕ СТРУКТУРЕ МАШИНА АЛАТКИ претварачи помераја структуре дуж пасивног дела стуба Сензори за мерење деформација на носачу главног вретена (4 локација) активни део структуре термички актуатори 16 грејача на спољној површини 16 хладњака на унутрашњој површни Сензори за мерење деформација (8 локација) Управљање радом грејача и хладњака Врши се помоћу управљачког система на основу о помераја који се региструју претварачима помераја. Хладњаци су узајамно изоловани као и оближњи део носеће структуре да би се ефекат подхлађивања осетио баш на месту хладњака. 15
ПРЕТВАРАЧИ ПОМЕРАЈА НА СТУБУ ПРЕТВАРАЧИ ПОМЕРАЈА кућиште мерне траке Invar, познат под ознаком FeNi36, је легура челика са никлом. Има мали коефицијент термичког ширења. претварач помераја Име добила од речи invariable (непроменљив), што се односи на особину да се незнатно шири и скупља са променом темепературе. Материјал: Invar Fe NI36 Структура сензора за мерење деформације на стубу 16
Invar Fe NI36 Invar ili FeNi36, sa α = 1,2 x 10 6 (састав: Fe 63,5%, Ni 36%, Mn 0,4 %, C 0,1 %). invar=1.2 36 Коефицијент термичког ширења за легуре гвожђа са различитим процентима никла ЕТАЛОНИ И ПРИМЕРИ КОМПЕНЗАЦИЈА ГРЕШАКА У ОБРАДНОМ СИСТЕМУ Типови три врсте очекиваних грешака: Типа G: Геометријске, познате још из уобичајене стандардне идентификације геометријске тачности машина алатки. Типа Т: Термичке, такође познате из стандардних процедура за идентификацију термичких ефеката у обрадним системима. Типа F: Помераји од оптерећења из процеса обраде, а могу потицати од сопствених тежина покретних маса, инерционих сила, док се мењају брзине појединих оса, или бити силе у процесу обраде. 17
КЛАСИФИКАЦИЈА ГРЕШАКА геометријске кинематичке грешке изазване загревањем грешке изазване силама у процесу обраде утицај сопствених тежина утицај инерционих сила утицај сила резања из процеса обраде грешке од нестабилности материјала грешке алата и држача алата грешке од хабања алата грешке од прибора остале грешке: грешке сервосистема,... Овде није предмет анализа грешака, већ управљање квалитетом машине алатке и ОС. Приступи за елиминисање грешака Предмет разматрања овде су само очекиване грешке: Геометријске, Термичке, Помераји од оптерећења Избегавање грешака ~ РЕДУКЦИЈА ГРЕШАКА Смањивање грешака ~ КОМПЕНЗАЦИЈА ГРЕШАКА (И КОРЕКЦИЈА) 18
Компензација грешака у ОС Када се састави и у систем за управљање угради алгоритам за кориговање-спречавање очекиваних грешака, то онда постаје компензација грешака у обрадном систему. Уобичајени типови компензација су: - Кориговање рада машине тако да ипак изгледа као да ради по покренутом програму. - Кориговање програма, по алгоритму који урачунава очекиване грешке, да би рад био добар. Калибрација - Компензација Калибрација је експериментална процедура која омогућава одређивање грешака. Компензација грешака је процедура, којом се после завршене калибрације машине, уводе корекције у мерни систем машине. 19
Корекција грешака Корекција грешака, када није у реалном времену врши се у два одвојена времена: прво, се врши КАЛИБРАЦИЈА (мерење грешака) ) после се врши софтверска комепнзација грешака. Услови за компензацију грешака компензују се само систематске грешке,значајно веће од случајних, корист од компензације треба да је већа од улагања у њу, грешке морају бити мање од опсега примењених мерних инструмената, МА мора имати апсолутни коорд. систем, инкремент машине мора бити довољно мали да се може применити комепнзација, мора да постоји адекватан модел машине, обично формиран помоћу експеримента. 20
Методи одређивања мерења функције грешака ДИРЕКТНИ - директна калибрација, коришћењем елемената геометрије који на машини већ постоје (базе, равне површине, отвори,...). ИНДИРЕКТНИ приручна калибрација, помоћу еталона, са отворима, чеповима, сферама, који су на еталону фискни, и чије су координате измерене на НУММ. тачнија Еталони Еталон је неки артефакт (технички производ) који се користи као референтни за калибрацију машине или за управљање машине. Еталони су осетљиви и не смеју се деформисати у току рада. По правилу имају кинематичке ослонце, односно везе. 21
Пример еталона за калибрацију машине ИНДИРЕКТНИ приручна калибрација, помоћу ЕТАЛОНА (савршени артефакт радни предмет са тачно измереним координатама) Ci познате координате, измерене на НУММ С 7 С 9 Х Е С 1 С 2 С 3 Кораци у мерењу и компензацији геометријских грешака К1: формирање довољно тачног модела машине. Математички модел. К2: успостављање и спровођење експерименталне процедуре за директно или индиректно мерење параметара модела геометријских грешака К3: Таблице за компензацију или функције су резултати који се примењују на машини у њеном раду у циљу побољшања тачности. 22
Пример конструисаног еталона Илустрација провере тачности позиционирања применом еталона са чеповима 23
Калибрација помоћу чепова на машини TRIJOINT 900 H Процедура Практична процедура мерења је следећа: на израђеној плочи-еталону се поставе калибрисани чепови одређених димензија, у виду мреже чепова, позиције мреже чепова на еталону су претходно одређене на NUMM, пре мерења машина треба да буде у температурно стабилном стању, симулатано се мере позиције чепова по све три осе, помоћу компаратора. формирају се резултати одступања за потребе калибрације. Поступак се понавља итеративно до остваривања жељених резултата. 24
Калибрација машина алатки помоћу еталона са куглама (MT-Check System) Овакав начин мерења одступања омогућава директну компензацију за све врсте троосних машина алатки. То значи да се не врши идентификација појединачних грешака машине, већ се остварује компензација комбинованог ефекта грешака машине у њеном радном простору (просторна компензација грешака). 25
Компензација грешке Упоредо и меримо и компензујемо Компензују се само систематске грешке које су значајно веће од случајних Корист од компензације мора бити већа од трошкова Компензација је нека рачунска процедура за смањивање грешака ОС кориговањем програмираних позицијa и брзина. Структура НУМА За компензацију је потребна стратегија. Уобичајена структура НУМА без компензације Стратегија компензације или кориговање програма је исто што и корекција грешке (off - line) или кориговање управљачких сигнала у УЈ машине. 26
Структура НУМА са уграђеном компензацијом и адаптивним управљањем Пример једне процедуре за компензацију геометријских, термичких и грешака изазваних силама из процеса обраде Илустрација припреме за компензацију Модели компонената грешки Резултати калибрације и моделирања измерених грешака Компензација грешака типа G+Т+F - Успостављање алгоритма - Имплементација у управљачки систем 27