CZ32559U1 - Přípravek pro polohovou fixaci měřicí hlavy pro měření přesnosti obráběcích strojů - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

Přípravek pro polohovou fixaci měřicí hlavy pro měření přesnosti obráběcích strojů

Oblast techniky

Technické řešení se týká přípravku pro polohovou fixaci měřicí hlavy pro měření volumetrické přesnosti obráběcích strojů při tepelném zatěžování. Tepelnou zátěží je zde myšlen rotační či translační pohyb strojních os, během kterého je produkovaným teplem a jeho šířením ve struktuře stroje negativně ovlivňována přesnost často nelineárně v celém rozsahu pracovního prostoru stroje. Stanovený vliv na volumetrickou přesnost pomocí přípravku lze využít pro softwarovou kompenzaci teplotních deformací strojů s přihlédnutím k jejich víceúčelovosti a tak výrazně zvýšit jejich výrobní přesnost.

Dosavadní stav techniky

Konkurenční boj v současné globální výrobě klade požadavky na vyšší rychlosti pohybových os, vyšší přesnost, kvalitu a spolehlivost obráběcích - výrobních strojů.

Dle mezinárodní normy ISO 230-2 (ČSN ISO 230-2 (200300) Zásady zkoušek obráběcích strojů - Část 2: Určení přesnosti a opakovatelnosti nastavení polohy v číslicově řízených osách, Český normalizační institut, 2015) a ISO 230-6 (ČSN ISO 230-6 (200300) Zásady zkoušek obráběcích strojů - Část 6: Určení přesnosti nastavení polohy na diagonálách tělesa a stěn (Zkouška diagonálního přestavení), Český normalizační institut, 2003) je obecně standardní tříosý obráběcí stroj ovlivněn 21 typy různých geometrických (stacionárních) chyb v rámci svého pracovního prostoru. Tyto chyby je nutné adekvátně změřit, vyhodnotit a zavést do kompenzačních tabulek řídicích systémů CNC strojů pro zaručení jejich maximální přesnosti v nezatíženém stavu a bez uvažování teplotně mechanických přechodových jevů.

Teplotně mechanické přechodové jevy, tj. chyby nestacionární, vyskytující se na obráběcím stroji jsou v současnosti jedním z dominantních zdrojů jeho výrobní nepřesnosti. Pro minimalizaci teplotních účinků na obráběcím stroji existuje řada přístupů, např. vhodně navržená konstrukce stroje, aplikace chladicích systémů, predikce teplotně mechanického chování stroje či softwarová kompenzace teplotních deformací. Vzhledem ktomu, že zasahovat do struktury stroje ať už z pohledu jeho konstrukce či vybavení je často velmi finančně náročné, někdy dokonce nemožné, a predikce teplotně mechanického chování stroje v reálném čase je v současnosti prakticky neproveditelná, je využití matematických modelů ke kompenzaci nežádoucích vlivů často voleným přístupem výrobců k dosažení požadované přesnosti svých produktů.

Existuje několik experimentálních metod, jimiž se docílí získání vstupních dat pro identifikaci softwarové kompenzace teplotně mechanických chyb obráběcího stroje. Základní metody měření teplotně mechanického chování obráběcích strojů obsahuje mezinárodní norma ISO 230-3 (ČSN ISO 230-3 (200300) Zásady zkoušek obráběcích strojů - Část 3: Určení tepelných vlivů, Český normalizační institut, 2010). Tato norma popisuje zkoušky obráběcích strojů pro určení teplotně mechanických vlivů od okolního prostředí, způsobené rotací vřetena a lineárními pohyby jeho součástí. Všechny touto normou popsané zkoušky musejí být prováděny na nezatíženém stroji, tzv. zkoušky „na prázdno“ a jsou vztaženy k jednomu bodu pracovního prostoru, z pravidla ke středu stolu, ke kterému se upíná obrobek. Vstupní hodnoty k sestavení naprosté většiny matematických modelů softwarové kompenzace teplotně mechanických chyb strojů, založených např. na regresní analýze, neuronových sítích, fuzzy logice, přenosových funkcích atd., tak používají experimentální data získaná ze zkoušek v jediném bodě pracovního prostoru a pracují s předpokladem, že deformace jsou stejné ve zbytku pracovního prostoru.

Zjednodušujícím a zároveň často milným předpokladem tedy je, že teplotně mechanické chyby jsou polohově nezávislé. Ovšem vzhledem ktomu, že ohřev struktury obráběcího stroje je často

- 1 CZ 32559 U1 nesymetrický lze předpokládat, že i deformace struktury jsou nesymetrické, což má za následek nepravidelné změny geometrických chyb obráběcího stroje. Lze očekávat polohovou závislost teplotně mechanických chyb a tedy zásadní změny celkové volumetrie stroje v celém jeho pracovním prostoru za působení teplotně mechanických přechodových jevů. Literární rešerše ukazuje, že vztah mezi změnami volumetrické přesnosti obráběcích strojů a teplotním chováním obráběcích strojů doposud nebyl komplexně zpracován.

Cílem tohoto technického řešení je měření volumetrické přesnosti obráběcích strojů za současného působení tepelných zdrojů a propadů vyskytujících se na obráběcím stroji, mezi které lze řadit zdroje a propady vnitřní, např. ložiska vřeten, motory pohybových os, kuličkové šrouby a jejich matice, převodové skříně, chladicí systémy apod., zdroje a propady vnější, např. změny teploty okolního prostředí, vliv obsluhy, vliv okolních strojů apod. a to bez vlivu řezného procesu, resp. s uvažováním dokončovacích operací. V zásadě se může jednat o jakoukoliv konfiguraci volumetrického měření v kombinaci s tepelnou zátěží: volumetrie vztažená k jednomu bodu pracovního prostoru, kde je zdroj excitovaný v různých bodech pracovního prostoru, ale měření je realizováno v jediném bodě; postupné proměřování volumetrické přesnosti v diskrétních bodech pracovního prostoru, kde je zdroj excitován a výstupy z teplotně mechanického systému měřeny ve stejném bodě pracovního prostoru po celou dobu tranzientního jevu; sekvenční proměřování pracovního prostoru, kde aktivní zdroj se kontinuálně pohybuje v pracovním prostoru stroje a je postupně proměřován v opakujících se cyklech. S výhodou je možné tohoto technického řešení využít pro zvyšování přesnosti rozměrných multifůnkčních center, kde je možno aplikací přípravku prověřit konfigurace strojů zohledňující jejich víceúčelovost - frézovací, soustružnické, vrtací operace, jejich kombinace apod. Získaná data pomocí vyvinutého technického řešení lze tak lépe využít pro zpřesnění softwarových kompenzací teplotně mechanických chyb obráběcích strojů a tím i zvýšit jejich výrobní přesnost.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny přípravkem pro polohovou fixaci měřicí hlavy pro měření volumetrické přesnosti obráběcích strojů při tepelném zatěžování podle tohoto technického řešení. Základním charakteristickým znakem přípravku je oddělení a správná interpretace teplotně-deformačních přechodových jevů mezi statorem a rotorem rotační osy, např. vřetene obráběcího stroje, ve vazbě na pozici vyšetřované rotační osy v pracovním prostoru stroje. Vzhledem ktomu, že vliv teplotní zátěže je mezi statorem a rotorem rotační osy pozorován pouze v axiálním směru je s výhodou využito jednoho bezkontaktního senzoru pro měření axiálního posunutí rotoru - polohově nezávislá teplotní deformace a měřicí hlavy pro snímání axiálního a dvou radiálních posuvů statorové části rotační osy v pracovním prostoru stroje - polohově závislá teplotní deformace. Senzory jsou propojeny se zaznamenávací a vyhodnocovací jednotkou pro kontinuální měření teplotních deformací v reálném čase.

Možnost tepelného zatěžování stroje umožňuje zejména univerzální tm fixovaný v rotoru rotační osy. Univerzální tm navíc slouží jako náhrada nástroje, jímž se obrábí a na němž se bezdotykově měří teplotně vyvolané posunutí, tj. teplotní deformace stroje ve třech souřadných osách.

Těleso přípravku je výhodné realizovat spodní a horní základnou tak, aby byl zaručen bezkolízni průchod rotorové části rotační osy spodní základnou přípravku. Základny jsou pak vzájemně pevně spojeny spojnicemi. Vzhledem k univerzálnosti přípravku je vhodné oblast spojení jeho spodní základny se statorem rotační osy doplnit o přesné distanční podložky pro možnost dostatečně vymezit axiální rozměrové rozdíly různých rotačních os různých strojů a univerzálních trnů. Pro rozměrovou stálost přípravku je vhodné spojnice spodní a horní základny přípravku vyrobit z netradičních materiálů, např. kompozitu, s definovanou minimální, dále označovanou jako nulovou, teplotní roztažností. Tímto opatřením je zamezeno parazitnímu vlivu deformace přípravku vlivem tepelné zátěže či změnou okolní teploty. Horní základnu přípravku je vhodné vybavit bezkontaktním senzorem axiálního posunutí pro záznam polohově

-2CZ 32559 U1 nezávislé teplotní deformace a zrcadlově k němu měřicí hlavou pro záznam polohově závislé teplotní chyby.

Pro záznam polohově závislých radiálních a axiální teplotní deformace je možno využít kontinuálního principu snímání, např. laser, či sekvenčního, např. nájezd na měřicí artefakty, kulové terče. Na volbě typu měřicí hlavy také závisí možnost měření úhlových složek deformací. Polohově nezávislá axiální teplotní deformace je snímána kontinuálně bezdotykovým senzorem v přípravku. Pro tvorbu softwarových kompenzací je žádoucí teplotně mechanické chování co nejpodrobněji zmapovat a záznam informací o polohově závislé i nezávislé chybě za pomoci přípravku tomuto účelu napomáhá.

Dostupná senzorika je často opatřena přívodními kabely, znemožňujícími jejich přímou montáž do rotačních os pro kontinuální záznam měřených hodnot. Bezdrátové varianty senzorů rovněž nejsou určeny k montáži do rotorů. Tento nedostatek řeší navrhovaný přípravek.

Pomocí přípravku podle předešlých nároků lze provést zkoušky s tepelným zatěžováním stroje jak rotačními tak translačními pohyby, při nichž se pomocí tohoto přípravku a vyhodnocovací jednotky zaznamená polohově závislá i nezávislá teplotní deformace. Vedle teplotních deformací jsou vyhodnocovací jednotkou zaznamenávána také experimentální data ze systému stroje. Zejména se jedná o teploty v blízkosti aktivních zdrojů a propadů tepla a případně další informace jako jsou např. proudová zatížení, otáčky, posuvové rychlosti či aktuální polohy os v pracovním prostoru apod., které lze využít pro tvorbu a ověření robustního a přesného modelu volumetrické softwarové kompenzace teplotních deformací stoje a tak výrazně zvýšit přesnost daného stroje v celém jeho pracovním prostoru. Přípravek je navržen tak, aby bylo možné jej aplikovat na stroje s přihlédnutím k jejich víceúčelovosti, např. měření v typických uspořádáních stroje pro frézovací, vrtací, soustružnické operace či jejich kombinace a plynulé změny konfigurací. Takovými stroji jsou především multifunkční soustružnická centra. Přípravek pro polohovou fixaci měřicí hlavy lze využít pro měření volumetrické přesnosti vztažené k jednomu bodu pracovního prostoru stroje, tzv. fixní měřicí pozice, a volumetrické přesnosti v celém pracovním prostoru stroje - pohyblivá měřicí pozice, a to jak za působení teplotně mechanických přechodových jevů, či pro stacionární geometrickou volumetrickou přesnost vyšetřovaného stroje.

Objasnění výkresů

Přípravek pro polohovou fixaci měřicí hlavy pro měření volumetrické přesnosti obráběcích strojů při tepelném zatěžování podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán pomocí přiložených výkresů, kde obr. 1 znázorňuje schematicky přípravek pro polohovou fixaci měřicí hlavy pro měření volumetrické přesnosti obráběcího stroje při tepelném zatěžování a obr. 2 znázorňuje aplikaci konkrétního technického řešení pro otočnou frézovací hlavu multifunkčního soustružnického centra.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příkladný přípravek pro polohovou fixaci měřicí hlavy pro měření volumetrické přesnosti obráběcích strojů při tepelném zatěžování je v zásadě vždy vhodné připojit k rotační ose 1, např. vřetenu či vřetenové hlavě obráběcího stroje, a to pevně kjeho statoru 2, spodní základnou 5 přípravku. Ve spodní základně 5 přípravku je zhotoven dostatečný otvor, umožňující bezdotykovou průchodnost rotoru 3 rotační osy 1, v němž je uchycen přes upínač nástrojů universální tm 4. V místě fiktivní špičky TCP nástroje - z anglického Tool Centre Point, je na univerzální tm 4 axiálně namířen bezkontaktní snímač 9 polohy, ustavený pomocí konzole 8, jež je pevně spojena se spodní stranou horní základny 6 přípravku, která je z drahé strany naproti konzole 8 vybavena měřicí hlavou 10. Signálové výstupy z čidel a senzorů jsou zpracovávané

-3 CZ 32559 U1 v neznázoměné zaznamenávací a vyhodnocovací jednotce. Spodní základna 5 s horní základnou 6 přípravku je spojena pomocí spojnic 7 zhotovených z kompozitního materiálu s nulovou teplotní roztažností, čímž je zajištěna rozměrová stálost přípravku za působení teplotních přechodových j evů.

Spodní základna 5 přípravku je navržena tak, aby bylo možné ji snadno demontovat od zbytku přípravku pro zhotovení připojovacích otvorů, závitových děr či drážek pro bezpečné a pevné uchycení, např. pomocí šroubů, kolíků či magnetů ke statoru 2 libovolné rotační osy 1. Uchycení spodní základny 5 ke statoru 2 může být často vhodné realizovat za pomoci přesných distančních podložek 11 a to vzhledem ke stálým rozměrům přípravku pro polohovou fixaci měřicí hlavy 10 a různým délkovým variantám univerzálních trnů 4.

Pro měření polohově nezávislých chyb, tedy mezi statorem 2 a rotorem 3 rotační osy 1, je možno použít jakýkoliv bezkontaktní snímač 9. Principy měření takového snímače 9 jsou různé; může se jednat např. o senzory indukční, kapacitní a na bázi vířivých proudů. Bezkontaktní snímač 9 polohy je v konzole 8 co nejpřesněji polohován do poloviny své lineární charakteristiky vůči fiktivní špičce TCP nástroje. Celková pozice bezkontaktního snímače 9 polohy je osově vymezena vůči rotační ose 1, čímž je zamezeno, aby snímač 9 byl namířen na případný středící důlek univerzálního tmu 4.

Pro měření polohově závislých chyb, tedy mezi statorem 2 a obecnými, diskrétními body v pracovním prostora, je použito zařízení označené jako měřicí hlava 10. Praktické podoby měřicí hlavy 10 se liší principem měření; může se tedy jednat o optické, laserové a kontaktní, vyžadující instalaci měřicích artefaktů či kulových terčů, systémy. Návrh aplikace přípravku pro polohovou fixaci měřicí hlavy 10 pro měření volumetrické přesnosti obráběcích strojů při tepelném zatěžování je podle navrženého technického řešení pro otočnou frézovací hlavu multifunkčního soustružnického centra patrný z obr. 2.

Průmyslová využitelnost

Přípravek pro polohovou fixaci měřicí hlavy pro měření volumetrické přesnosti při tepelném zatěžování nalezne uplatnění v oblasti obráběcích strojů, kde je díky znalosti nestacionárního teplotně mechanického chování celého pracovního prostoru možno výrazně rozšířit platnost kompenzačních algoritmů, které slouží k minimalizaci teplotně mechanických chyb obráběcích strojů, a tím zvýšit jejich výrobní přesnost, spolehlivost a efektivitu. Nový způsob stanovení volumetrické přesnosti obráběcího stroje s uvažováním vlivu teplotně mechanických přechodových jevů najde průmyslové uplatnění na všech strojích, u nichž je výrobní přesnost zhoršována teplotními vlivy, vznikajícími rotačními a translačními pohyby strojních komponent, kteréžto vlivy se nelineárně projevují v pracovním prostoru stroje, a u nichž je třeba tento efekt minimalizovat, a tak zvýšit výrobní přesnost s přihlédnutím k víceúčelovosti, a značné variabilitě strojů.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (3)

1. Přípravek pro polohovou fixaci měřicí hlavy pro měření přesnosti obráběcích strojů, vyznačující se tím, že obsahuje spodní základnu (5) opatřenou úchyty pro připojení ke statoru (

2) rotační osy (1) obráběcího stroje s průchozím otvorem pro tm (4) připojený k rotora (3), a ke spodní základně (5) přes spojnice (7) připojenou horní základnu (6), přičemž horní základna (6) je na své vnitřní straně opatřena konzolí (8) pro ustavení bezkontaktního snímače (9) polohy pro nestacionární záznam deformace mezi statorem (2) a rotorem (3) rotační osy (1), a z horní strany je horní základna (6) opatřena měřicí hlavou (10) pro záznam nestacionárních deformací

-4CZ 32559 Ul statoru (2) stejné rotační osy (1) v libovolných dostupných bodech pracovního prostoru vyšetřovaného stroje, a bezkontaktní snímač (9) polohy a měřicí hlava (10) jsou propojeny se zaznamenávací a vyhodnocovací jednotkou.

5 2. Přípravek podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi spodní základnou (5) a statorem (2) rotační osy (1) jsou umístěny distanční podložky (11) pro vymezení potřebné vůle mezi fiktivní špičkou nástroje a konzolí (8).

3. Přípravek podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že spojnice (7) jsou z kompozitního ío materiálu s nulovou teplotní roztažností.