Pokaż menu

Firmy z okładek

Befared  Napędy i SterowaniePepperl+Fuchs  FESTO

Reklama

Współpraca

Kompensacja błędów w maszynach ze sterowaniem FANUC 31i-B
Karol Miądlicki, Paweł Majda, Jacek Zapłata



Współczesne obrabiarki muszą spełniać wiele wymagań, z których najważniejszym jest osiąganie wysokiej dokładności i powtarzalności wytwarzanych wyrobów. Niestety, istnieje też wiele czynników, które mogą wpłynąć na błąd pozycjonowania elementów wykonawczych maszyn. Jednym z najlepszych sposobów zapobiegania problemom jest wyposażanie obrabiarek w zaawansowane systemy sterowania CNC, umożliwiające skuteczną kompensację błędów.


Błędy obróbki i najlepsze sposoby zapobiegania
Głównym źródłem błędów są odkształcenia elementów korpusowych i układu OUPN (obrabiarka – uchwyt – przedmiot – narzędzie), wynikające z odziaływania sił skrawania, błędów kinematycznych osi (wynikających z niedokładności geometrycznej) i odkształceń termicznych. Minimalizację powyższych błędów można uzyskać: zmniejszając siłę skrawania w tzw. obróbce szybkościowej (high speed cutting), tworząc symetryczne konstrukcje niewrażliwe na odkształcenia termiczne po wstępnym rozgrzewaniu maszyny, wprowadzając w układzie sterowania tablice kompensacji błędu pozycjonowania osi lub stosując aktywne systemy kompensacji czasu rzeczywistego. Przykładem może być system aktywnej kompensacji cieplnej odkształceń śruby pociągowej. Coraz większa powszechność dwóch ostatnich wymienionych sposobów umożliwia wyposażanie obrabiarek w rozwiązania pozwalające na matematyczną korekcję błędów, czyli tzw. autokalibrację (ang. selftuning). Realizowana jest ona przez układ sterowania przed lub w trakcie wykonywania procesu roboczego. Jednak sama kompensacja nie jest możliwa bez zastosowania zaawansowanego systemu sterowania CNC, który umożliwia implementację wszystkich wspomnianych sposobów kompensacji.


Sterowania CNC FANUC 31i-B
Sterowania firmy FANUC, dostarczają niezbędnej funkcjonalności do opracowania i implementowania zaawansowanych procedur minimalizujących niekorzystne błędy pozycjonowania maszyn. Realizacja aktualnych badań i projektów badawczych w Instytucie Technologii Mechanicznej (ITM) Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego (ZUT) w Szczecinie doprowadziła do opracowania szybkich metod identyfikacji błędów maszyn w całej przestrzeni obróbczej (wyznaczanie mapy błędów). Odpowiednie procedury kompensacji błędu pozycjonowania w trakcie obróbki zaimplementowane zostały na sterowaniach FANUC 31i-B. Poniżej przedstawiono efekty stosowania takiej kompensacji, tj. wyniki testu okrągłości wg ISO 230/4 dla maszyny przed (rys. 1) i po (rys. 2) kompensacji jej błędów. Natomiast w dalszej części artykułu opisany został nowoczes­­ny system kompensacji cieplnej odkształceń śruby pociągowej, opracowany na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki ZUT w Szczecinie.



Rys. 1. Test okrągłości wg ISO 230/4 przed kompensacją błędów kinematycznych obrabiarki przenośnej, zbudowanej z użyciem sterowania FANUC 31i-B
Rys. 1. Test okrągłości wg ISO 230/4 przed kompensacją błędów kinematycznych obrabiarki przenośnej, zbudowanej z użyciem sterowania FANUC 31i-B



Rys. 2. Test okrągłości wg ISO 230/4 po kompensacji błędów kinematycznych obrabiarki przenośnej, zbudowanej z użyciem sterowania FANUC 31i-B
Rys. 2. Test okrągłości wg ISO 230/4 po kompensacji błędów kinematycznych obrabiarki przenośnej, zbudowanej z użyciem sterowania FANUC 31i-B




Układ kompensacji odkształceń cieplnych
Jednym z wielu badanych czynników powodujących błędy w pozycjonowaniu obrabiarek CNC są odkształcenia cieplne śrub pociągowych. Ciepło wydzielane podczas ruchu śruby tocznej w jej łożyskowaniu oraz nakrętce, powoduje niejednorodny rozkład pola temperatury śruby. W wyniku złożonego stanu temperaturowego powstają odkształcenia o nieliniowym charakterze, uzależnionym od sposobu ułożyskowania śrub. Skompensowanie tych błędów było celem jednego z wielu projektów badawczych realizowanych wspólnie z Andrychowską Fabryką Maszyn DEFUM SA w ITM ZUT w Szczecinie.

W celu skompensowania odkształceń termicznych, wewnątrz śruby tocznej osi X Centrum Obróbczego R1000 zainstalowano dwanaście czujników temperatury rozmieszonych co 111 mm. W taki sposób, by pierwszy czujnik znajdował się bezpośrednio pod węzłem łożyskowym ustalającym, zaś czujnik ostatni pod węzłem łożyskowym pływającym (rys. 3).



Rys. 3. Przekrój śruby tocznej osi X wyposażonej w czujniki temperatury
Rys. 3. Przekrój śruby tocznej osi X wyposażonej w czujniki temperatury



Do pomiaru temperatury śruby tocznej wykorzystane zostały czujniki termistorowe umiejscowione za pomocą kleju termoprzewodzącego w otworach wywierconych prostopadle do osi śruby. Okablowanie czujników wyprowadzono otworem wykonanym w śrubie centralnie wzdłuż jej osi (rys. 3), aby umożliwić swobodny obrót śruby tocznej, okablowanie wychodzące ze śruby połączono z przetwornikiem cyfrowym za pośrednictwem obrotowego złącza elektrycznego (rys. 4).



Rys. 4.  Wyprowadzenie okablowania ze śruby tocznej
Rys. 4. Wyprowadzenie okablowania ze śruby tocznej



Do wyznaczenia wartości korekt odkształceń cieplnych dla śrub pociągowych bez napięcia wstępnego, wykorzystano model jednowymiarowy odkształceń pręta o niejednolitej temperaturze. Zaprojektowany model odkształceń cechuje się dużą dokładnością oraz niskim kosztem obliczeniowym, co jest kluczowe dla jego implementacji w czasie rzeczywistym w systemie sterowania maszyny CNC FANUC. Ponadto wykorzystuje on bezpośrednie pomiary temperatury z czujników rozmieszczonych wzdłuż osi śruby i dotyczy układu z jednym węzłem ustalającym i jednym pływającym. Układ taki często stosowany jest w pionowych osiach napędowych obrabiarek. Funkcja temperatury T(x) wzdłuż osi śruby została interpolowana funkcjami liniowymi. Na rysunku poniżej (rys. 5) przedstawiono schemat modelowanego układu.



Rys. 5. Schemat mechaniczny osi posuwu z przekładnią śrubową
Rys. 5. Schemat mechaniczny osi posuwu z przekładnią śrubową



Sposób wprowadzania kompensacji do układu sterowania CNC FANUC
System sterowania CNC firmy FANUC jest jednym z bardziej zaawansowanych systemów obecnie dostępnych na rynku. Pozwala on na wprowadzenie wartości kompensaty w sposób dynamiczny na wiele sposobów. Niektóre z nich pozwalają na wykorzystanie zmiennych podawanych przez operatora w programie obróbkowym. Czasy aktualizacji wartości takich zmiennych nie przekraczają kilku milisekund. Inne wprowadzane są w czasie rzeczywistym i wykorzystują rejestry PLC/NC. Wszystkie wymagają nawiązania komunikacji pomiędzy systemem CNC a zewnętrznym układem pomiarowym, edycji programu PLC/NC oraz przypisania odpowiednich adresów do zmiennych systemu CNC. Komunikacja z systemem sterowania FANUC CNC jest możliwa za pomocą standardowych interfejsów komunikacyjnych stosowanych w przemyśle (Profibus, Profinet, FL-Net, DeviceNet, Ethernet IP, Modbus TCP, CC Link) lub autorskiego interfejsu firmy FANUC FSSB (FANUC Serial Servo Bus). Ponadto system sterowania FANUC posiada bardzo zaawansowane możliwości rozbudowy i ingerencji w układ sterowania dzięki wprowadzeniu obsługi języka programowania C oraz udostępnieniu otwartej biblioteki API – FOCAS. Pozwala ona na tworzenie funkcji i aplikacji współpracujących z układem CNC dla systemu Windows. Elementy systemu należące do systemu FANUC CNC oraz przykładową konfigurację napędów przedstawia rysunek 7.


Rys. 6


Rys. 7. Napędy systemu sterowania FANUC
Rys. 7. Napędy systemu sterowania FANUC



Mimo zastosowania tak rozbudowanego systemu sterowania, ze względu na eksperymentalny charakter układu (rys. 8) ograniczono się do wykorzystania modułów wejść/wyjść cyfrowych. Opracowany został protokół komunikacji pomiędzy systemem pomiarowym NI-Crio 9022 a PLC układu sterowania FANUC CNC. Wykorzystuje on 14 wejść cyfrowych, co pozwala na przesyłanie informacji o długości 14 bitów. Pierwsze 4 bity odpowiadają za numer czujnika, natomiast w pozostałych 10 bitach zawarta jest informacja o wartości całkowitej kompensaty w µm. Wadami tego rozwiązania są ograniczona częstotliwość przełączania wejść/wyjść oraz duża ilość portów, niezbędna do przesyłania liczb całkowitych oraz zmiennoprzecinkowych. Już jedna liczba zmiennoprzecinkowa pojedynczej precyzji, przesyłana zgodnie ze standardem IEEE 754, zajmuje 32 bity, natomiast dla każdego bitu niezbędne jest jedno wejście/wyjście z modułu. Jednak niekwestionowanymi zaletami tego rozwiązania są prostota funkcjonowania systemu komunikacji oraz niska cena modułów. Dodatkowo niezbędne jest oprogramowanie do edycji programu PLC – FANUC Ladder-III.



Rys. 8. Schemat przekazywania sygnałów w układzie kompensacji
Rys. 8. Schemat przekazywania sygnałów w układzie kompensacji



Pierwszym etapem implementacji algorytmu uwzględniającego korekty termiczne w sposób online było odczytanie aktualniej pozycji centrum obróbkowego R1000 z enkodera osi. Do odczytu pozycji z interwałem czasowym 8 ms wykorzystana została jedna z szybkich funkcji window. Pozwala ona dokonywać odczytu aktualnej pozycji wybranej osi obrabiarki we współrzędnych maszynowych. Następnie zostały przygotowane podprogramy w języku LD, pozwalające na odczyt wartości kompensaty wprowadzanej do systemu za pomocą modułu wejść/wyjść cyfrowych i opracowanego interfejsu komunikacji. Parametry te zostały ustawione na wartość odpowiadającą maksymalnej wartości wprowadzanej kompensaty, wyrażonej w jednostkach podstawowych systemu. W przypadku naszego systemu jest to 200 jednostek, co odpowiada 200 mikrometrom. Ostatnim krokiem było dodanie kompensaty do aktualnej pozycji osi X, w każdym takcie działania interpolatora. Aby wprowadzić kompensatę, podobnie jak przy odczycie pozycji osi, przygotowano odpowiednie rejestry oraz wykorzystano funkcję window. Elementem zabezpieczającym przed niekontrolowanym ruchem oraz kolizją były parametry maszynowe ustawione w taki sposób, by ruch wywołany z poziomu innego niż G-kod mógł mieć maksymalną wartość 200 um. W momencie przekroczenia tej wartości wywoływany był alarm SV0410 (FANUC alarm: 410 - SERVO ALARM: n-TH AXIS -EXCESSE.  Zależność pomiędzy poprawką a położeniem osi miała charakter sklejanej funkcji linowej (rys. 9). Z urządzenia akwizycji danych CRIO9022 do układu PLC obrabiarki przesyłano jedynie wartości węzłowe tej funkcji. Układ sterowania maszyny, za pomocą zaimplementowanej procedury, aproksymował wartość implementowanej poprawki dla aktualnego położenia na podstawie przesyłanych wartości węzłowych RROR).



Rys. 9. Schemat wprowadzania poprawki w systemie sterowania PLC obrabiarki
Rys. 9. Schemat wprowadzania poprawki w systemie sterowania PLC obrabiarki



Badania doświadczalne odkształceń cieplnych osi CNC centrum obróbczego R1000 Andrychowskiej Fabryki Maszyn DEFUM SA
W ramach badań systemu najpierw wykonana została seria pomiarów dokładności pozycjonowania bez załączonej procedury kompensacji w systemie sterowania. Rozkład błędów pozycjonowania zbadaliśmy za pomocą interferometru laserowego. Lustra interferometru zamocowano na wrzecionie oraz na stole frezarki (rys. 10). W interferometrze pozostawiono włączone automatyczne procedury kompensacyjne pomiaru, uwzględniające zmianę temperatury, ciśnienia i wilgotności powietrza. Takie postępowanie zgodne jest z normą ISO230-3. Jego celem jest wyeliminowanie niekontrolowanych zmian warunków w pomieszczeniu na dokładność pomiaru pozycjonowania.



Rys. 10. Centrum obróbkowe Andrychowskiej Fabryki Maszyn DEFUM SA R1000 „Baca” oraz interferometr laserowy podczas pomiaru wpływu odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania osi X
Rys. 10. Centrum obróbkowe Andrychowskiej Fabryki Maszyn DEFUM SA R1000 „Baca” oraz interferometr laserowy podczas pomiaru wpływu odkształceń cieplnych na dokładność pozycjonowania osi X



W czasie pomiaru wykonano cykl doświadczeń, w których oś X przemieszczała się w zróżnicowanych zakresach, z różnymi prędkościami. Celem takiego działania było stopniowe nagrzewanie śruby maszyny. Pomiędzy kolejnymi seriami ruchów cyklicznych przeprowadzono serię badań dokładności pozycjonowania. Razem wykonano 15 serii pomiarowych. Seria pomiarowa 1 została wykorzystana w celu usunięcia wpływu błędów geometrii obrabiarki na wyniki pomiarów. Punkt „0” układu współrzędnych maszynowych znajdował się w położeniu pokrywania się osi stołu obrotowego oraz osi wrzeciona.

Temperaturę maszyny zmierzono w wybranych punktach na korpusie oraz w śrubie tocznej za pomocą czujników zamocowanych wewnątrz niej. Na rys. 11 pokazane są temperatury zarejestrowane w śrubie w czasie wykonywania badań, dokładności pozycjonowania osi X. Numerem 1 oznaczono czujnik znajdujący się pod nieruchomym węzłem ustalającym. Czujnik nr 12 znajduje się pod węzłem pływającym. W obszarach ruchu nakrętki po śrubie tocznej odnotowano wyraźne maksima temperatury, wynikające ze sposobu wnikania generowanego ciepła do śruby tocznej. Maksima, powstające w wyniku oddziaływania strumienia ciepła generowanego przez elementy toczne w nakrętce, zmieniają swoje położenie wraz ze zmianą zakresów ruchu osi posuwu. W czasie przeprowadzanych pomiarów maksymalna zarejestrowana temperatura śruby osi X osiągnęła wartość ok. 57°C.



Rys. 11. Wartości temperatur zarejestrowane przez czujniki umieszczone w śrubie tocznej podczas przeprowadzanych pomiarów
Rys. 11. Wartości temperatur zarejestrowane przez czujniki umieszczone w śrubie tocznej podczas przeprowadzanych pomiarów



Zakres ruchów wykonywanych przez oś X wynosił ok. 500 mm. Odchyłki pozycjonowania rejestrowano w każdej serii pomiarowej w 11 punktach pomiarowych podczas 3 przejazdów w każdą stronę (66 punkty pomiarowe). Rozkład zarejestrowanych odchyłek przedstawia rys. 12. Wartość maksymalnej odchyłki pozycji dla osi X wyniosła 212 µm. Wartości odchyłek położenia w funkcji położenia osi napędowej nie ma charakteru funkcji liniowej, spowodowane jest to nieliniowym rozkładem pola temperatury śruby tocznej. Aby zweryfikować poprawność funkcjonowania układu kompensacji, ponownie wykonana została seria pomiarów z włączoną kompensacją, podczas których rejestrowano: odchyłki pozycjonowania, wprowadzaną w układzie sterowania poprawkę, temperatury w śrubie, temperaturę korpusu maszyny oraz temperaturę otoczenia. Rys. 13 przedstawia zarejestrowane podczas pomiarów z działającym systemem kompensacji odchyłki pozycjonowania. (Dla łatwej oceny rzędu osiągniętej poprawy rys. 11 oraz rys. 12 przedstawiono w tej samej skali). Osiągnięto efekt obniżenia maksymalnych wartości rejestrowanych odchyłek wynikających z odkształceń cieplnych z poziomu 181 μm do poziomu 37 μm.



Rys. 12. Zmierzony rozkład błędów pozycjonowania w osi X bez włączonej kompensacji
Rys. 12. Zmierzony rozkład błędów pozycjonowania w osi X bez włączonej kompensacji


Rys. 13. Zmierzony rozkład błędów pozycjonowania w osi X z włączoną kompensacją
Rys. 13. Zmierzony rozkład błędów pozycjonowania w osi X z włączoną kompensacją



Uzyskane efekty
Zastosowanie opracowanego układu kompensacji odkształceń cieplnych śruby pociągowej pozwoliło na znaczne polepszenie dokładności pozycjonowania osi X we frezarce AFM R1000. Stało się to możliwe dzięki skutecznemu zredukowaniu niekorzystnego wpływu ciepła, powstającego w czasie pracy osi napędowej. Uzyskane wyniki są obiecujące i wskazują na znaczną (około 4-krotną) poprawę dokładności pozycjonowania.

Wykorzystanie systemu FANUC CNC 31i-B umożliwiło zastosowanie systemu kompensacji działającego w czasie rzeczywistym. Daje także perspektywy rozbudowy i rozwoju systemu. Przy odpowiednim wykorzystaniu zasobów systemu sterowania CNC FANUC oraz optymalizacji systemu kompensacji możliwa będzie rezygnacja z dodatkowych urządzeń pośredniczących. Pozwoli to na pełną integrację rozwiązania w maszynach oferowanych przez Andrychowską Fabrykę Maszyn DEFUM SA bez dodatkowych kosztów.


Adnotacje
Prezentowane prace w zakresie kompensacji odkształceń termicznych śrub realizowano w ramach projektu INNOTECH-K3/IN3/226352/NCBR/14 finansowanego przez NCBiR. Prace realizowano we współpracy z Andrychowską Fabryką Maszyn DEFUM SA.
Dodatkowe informacje na temat systemów sterowania CNC FANUC dostępne na stronie www.fanuc.pl.


Autorzy: Karol Miądlicki, Paweł Majda, Jacek Zapłata


FANUC Polska Sp. z o.o.
www.fanuc.pl

Reklama