Na ilustracji 1 przedstawiono rodzaje błędów w obrabiarkach NC/CNC oraz konwencjonalnych. Czynniki wynikające z UOPN (Układ Obrabiarka Przedmiot Narzędzie) oraz warunków środowiskowych mają wpływają na dokładność obróbki przedmiotu. W celu minimalizowania ich negatywnego wpływu konieczne jest rozpoznanie źródeł niedokładności. W tym celu m.in. opracowywana jest mapa błędów obrabiarki.

Ilustracja 1. Rodzaje błędów charakterystyczne dla obrabiarek klasycznych oraz NC/CNC.

Współcześnie istotnym innowacyjnym rozwiązaniem są pomiary obrabianych przedmiotów na obrabiarkach (DELCAM Sp. z o.o.)

Pomiary przedmiotów na obrabiarkach nie zastępuje specjalistycznych stanowisk pomiarowych oraz izb pomiarowych, lecz stanowi efektywne rozszerzenie możliwości w ramach kontroli technicznych przedmiotu obrabianego [3]. W maszynach technologicznych NC/CNC systemy elektroniczne, oprogramowanie również stanowią źródło błędów.

Innym czynnikiem mającym bardzo istotne znaczenie z punktu widzenia dokładności obróbki to dynamika procesu obróbki. Wyróżnia się dwa kluczowe aspekty w oddziaływaniach dynamicznych:

• drgania samowzbudne między przedmiotem obrabianym i narzędziem (ang. chatter),
• dynamika przemieszczania się narzędzia wzdłuż określonej w programie obróbkowym ścieżki.

Zagadnienia dynamiczne odgrywają ważną rolę w przypadku obróbek szybkościowych HSM/HSC, gdyż wpływają na dokładność odwzorowania kształtu (stopień odwzorowania opisanej w programie obróbkowym ścieżki narzędzia z jej rzeczywistym przebiegiem). Przyjmuje się, iż dokładność obrabiarki jest związana z parametrami obróbkowymi, a przede wszystkim z prędkoścą posuwu roboczego. Określenie charakterystyki dynamicznej obrabiarki wymaga przeprowadzenia odpowiednich badań, m.in. analizy modalnej czyli pomiarów odpowiedzi UOPN na wymuszenie impulsowe (uderzenie specjalnym młotkiem). Pomiary są przeprowadzane dla określonej konfiguracji (narzędzia i jego sposób zainstalowania w obrabiarce, np. długość wysunięcia z oprawki narzędziowej).

Autor [4] wykazał, że w przypadku obrabiarek dla potrzeb obróbek szybkościowych konieczne jest by sztywność konstrukcji obrabiarki jest kluczowa oraz układy sterowania zapewniające szybkie przetwarzanie danych. W przypadku średniej klasy frezarskiego centrum CNC układy sterowania są skonfigurowane w zakresie typowych prędkości posuwu roboczego, niestosowanych w HSM/HSC. Pomimo deklarowanych opcji próba realizacji obróbki szybkościowej można oczekiwać zniekształcenia toru ruchu narzędzia (szczególnie przy zmianie kierunku). Błędy dynamiczne związane z  przebiegiem toru narzędzia są rozpoznawane wyłącznie w trakcie pracy obrabiarki. Swoje źródło ma to w niedoskonałości interpolatora oraz napędów (serwonapęd pracujący w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego nie reaguje w odpowiednio krótkim czasie na powstały błąd położenia, co wynika z sumy opóźnień cyfrowej analizy sygnału w regulatorze położenia). W efekcie końcowym powstały błąd położenia może przekroczyć sumę statycznych błędów geometrycznych obrabiarki. Interpolator ze względu przy dużych prędkościach posuwu roboczego może również wprowadzać błędy (niewystarczająca moc obliczeniowa układu).

Błędy systematyczne:

• geometryczne,
• kinematyczne,
• termiczne,

ze względu na ich charakter można kompensować. Od dokładności identyfikacji tych błędów zależy stopień ich kompensacji. Natomiast błędy o charakterze przypadkowym, które cechują się bardzo szybkimi zmianami swych wartości w czasie w połączeniu z brakiem systematyczności ich zmienność nie są możliwe do kompensowania.

Kompensacja błędów systematycznych stosowana jest na różne metody (konstrukcja obrabiarki, elektronika, oprogramowanie). Efektywne zastosowanie kompensacji wymaga identyfikacji poszczególnych występujących błędów. Konstrukcja obrabiarki (gabaryty, przestrzeni robocza, liczba osi), przeznaczenie obrabiarki, zastosowane funkcji wyższego rzędu (inteligentne) w układzie sterowania powodują, iż rozpoznanie poszczególnych składowych błędów jest trudniejsze [1, 5]. Podjęte zagadnienie pomiarów przedmiotów na obrabiarkach wymaga zidentyfikowania błędów pozycjonowania obrabiarki w celu zmniejszenia niepewności pomiarowej i zapewnienia odpowiedniej precyzji pomiaru.

W celu przeprowadzenia badań obrabiarki i wyznaczenia tzw. mapy błędów obrabiarka musi być właściwie przygotowana. Pomiary należy realizować w warunkach jak najbardziej zbliżonych do rzeczywistych warunków pracy obrabiarki (m.in. wcześniejsze nagrzanie obrabiarki). Do głównych metod pomiarówtcg zalicza się [1, 2]:

• DBB oraz LBB;
• Interferometr laserowy;
• Siatka optyczna;
• Wzorce materialne.

Wzorce materialne

Wzorce materialne są wykorzystywane do weryfikacji położeń w wybranych punktach. Wyróżnia się wzorce jednowymiarowe, dwuwymiarowe oraz trójwymiarowe, a taki podział uzależniony jest od od lokalizacji punktów pomiarowych. Zaletami wzorców materialnych jest ich niska cena oraz prosta konstrukcja. W wyniku pomiarów z użyciem tego typu wzorców identyfikowane są błędy o niekoniecznie znanym pochodzeniu. Na ilustracji 2 pokazano przykład wzorca materialnego kuli wraz z przykładową sondą pomiarową. Przedstawiono również przykładowy zrzut ekranu z programu PowerInspect OMV. Mapa błędów jest wyznaczana m.in. z zastosowaniem tego typu wzorców, co jest niezbędne do wdrożenia pomiarów przedmiotów obrabianych na obrabiarce.

Ilustracja 2. Przykładowe: wzorzec kuli, sonda przedmiotowa, zrzut ekranu z programu PowerInspect OMV.

Wzorzec precyzyjnej kuli jest ustalony i zamocowany na stole obróbkowym i mierzony z wykorzystaniem pomiarowej sondy przedmiotowej oraz specjalnego oprogramowania, dedykowanego do pomiarów na obrabiarkach (ilustracja 2). Pomiar realizowany jest na wektorze normalnym do powierzchni mierzonej (ekwidystanta). Wzorzec kuli stosuje się również przy kalibrowaniu trzpieni pomiarowych lub czujników, przy orientacji głowicy na współprzędnościowych maszynach pomiarowych. Precyzyjne kule wykonywane są z węglika wolframu o różnych średnicach (m.in: Ø12, Ø19, Ø25, Ø30). Błąd kulistości wynosi około 100 nm (0,1 μm), a tolerancja średnicy kuli to rząd dziesiątych części nm. Każda tego typu kula kalibracyjna powinna być certyfikowana i posiadać wygrawerowane dane geometryczne. Dokładna średnica wzorca kuli jest wykorzystywana w specjalistycznym oprogramowaniu.

Mapa błędów jest określana na podstawie serii pomiarów kuli wzorcowej. Realizowane są najazdy sondy przedmiotowej na kulę z różnych kierunków wraz z możliwością zmian kątowego położenia sondy względem własnej osi. Liczba pomiarów zależy od rodzaju weryfikowanych układów trójosiowych lub 3+2 (od około 500 do 1200 pomiarów).

Mapa błędów ma na celu efektywną kompensację błędów systematycznych (błędów kinematycznych obrabiarki), a w konsekwencji można uzyskać większa precyzję pozycjonowania suportów obrabiarki, zmniejszoną niepewność pomiarową przy pomiarach przedmiotów na obrabiarce.

Przeprowadzenie badania (mapa błędów – określenie) wymaga czasowego wyłączenia obrabiarki z procesy produkcyjnego. Zaletą omawianej metody wyznaczania mapy błędów jest krótki czas realizacja pomiarów (maks. 2h), uwzględniając przygotowanie obrabiarki, ustalenie i zamocowanie wzorca materialnego oraz kalibrację sondy pomiarowej. W sytuacji kiedy nie ma potrzeby wykonania poważniejszych, w tym czasochłonnych, czynności przygotowawczych czas pomiarów można zamknąć w przedziale od 30 do 60 minut.

Określenie dokładności obrabiarki jest istotne w kontekście dokładności samej obróbki oraz weryfikacji efektów obróbki (międzyoperacyjna kontrola techniczna) przez pomiar przedmiotu na obrabiarce.

Materiały źródłowe

1. Szafarczyk M., Chrzanowski J., Wypysiński R., Nowa koncepcja sprawdzania dokładności maszyn NC, materiały konferencyjne, AUTOMATION, Automatyzacja – Nowości i Perspektywy, str. 405-413, Warszawa 2005
2. Turek P., Kwaśny W., Jędrzejewski J., Zaawansowane metody identyfikacji błędów obrabiarek, Inżynieria Maszyn, R. 15, z. 1-2. 2010
3. Morek R., Monitorowanie obróbki. Pomiary przedmiotu na obrabiarce, STAL. Metale & Nowe Technologie 9-10/2015 str. 108-112
4. Chrzanowski J., Programowe zwiększenie dokładności wykonania przedmiotu na obrabiarce NC, Inżynieria Maszym R.17, z.2, 2012
5. Schwanke H., Knapp W., Haitjema H., Weckenmann A., Schmitt R., Delbressine F., Geometric error measurement and compensation of machines-An update, CIRP Annals – Manufacturing Technology 57 (2008) str. 660-675
6. Materiały handlowe firmy DELCAM Sp. z o.o.
7. Materiały handlowe firmy Renishaw