SISTEMI ZA KONTROLU GEOMETRIJSKE TANOSTI I KALIBRACIJU … · manje uticajnih, grešaka i povezivanje sa moguim uzrocima za njihovu pojavu je obino veoma zahte-van posao; zahteva

TEHNI�KA DIJAGNOSTIKA (BROJ 3 • 2007) 3

SISTEMI ZA KONTROLU GEOMETRIJSKE TA�NOSTI I KALIBRACIJU CNC-MAŠINA Prof. Dr Mirko Sokovi� (1) *

Marko Cedilnik, dipl. inž. (1) Prof. Dr Janez Kopa� (1) Tone Vre�i� (2) (1) Fakulteta za strojništvo, Univerza in Ljubljana, Slovenija (2) Sales Manager Renishaw Product Line, RLS d.o.o., Ljubljana, Slovenija * corresponding author

UDC: 621.7.06.004 ORIGINALNI NAU�NI RAD

REZIME Razvoj softvera i hardvera, u okviru proizvodnih linija, je nametnuo vrlo oštre zahteve u pogledu ta�nosti dimenzija proizvoda. Ta�nost u proizvodnji je u direktnoj sprezi sa geometrijskom i radnom ta�noš�u CNC-mašina u proizvodnom procesu, koja se jednostavno može determinisati i kalibrisati pomo�u mernog sistema Ballbar QC10 i laserskog sistema ML10. U radu su predstavljeni merni sistem Ballbar QC10 i laserski sistem ML10 Gold standard kao i konkretni primeri upotrebe tih sistema u praksi. Klju�ne re�i: ta�nost CNC-mašine, Ballbar QC10, Laser ML10

ABSTRACT In the production process line, software and hardware development, has nowadays appointed very rigorous demands for dimension accuracy of the product. Accurate production is consequently related to the geometric accuracy of the CNC-machine in the production process line, which can be easily determined and calibrated using Ballbar QC10 measuring device and Laser system ML10. Measurement system Ballbar QC10, laser system ML10 Gold standard, tests, and short tests results analyses are presented in the paper. Key words: accuracy of CNC-machine, Ballbar QC10, Laser ML10

1. UVOD Zahtevi za ta�noš�u izrade postaju iz dana u dan

sve oštriji. Stalna poboljšanja na podru�ju CAD/CAM-aplikacija zahtevaju istovremena poboljšanja mašina alatki i ure�aja koji u�estvuju u procesu izrade; samo na taj na�in se postiže zahtevani kona�ni rezultat. Kod CNC-mašina se oštri zahtevi, koji se odnose na preciznost izradaka, u ve�ini slu�ajeva, posredno ili neposredno, odnose uglavnom na geometrijsku ta�nost mašina. Zbog toga je za uspešno i racionalno projektovanje proizvodnje potrebno poznavati geometrijsku i radnu ta�nost CNC-mašina. Istovremeno pra�enje dimen-zijskih i geometrijskih grešaka i pojava neta�nosti diktira potrebnu dinamiku održavanja, �ime u kona�-noj fazi produžavamo eksploatacioni vek CNC-ma-šina [1–6].

2. MERNI SISTEM BALLBAR QC10

Jedna od savremenih i veoma uspešnih metoda za brzu i efikasnu dijagnostiku grešaka kod CNC upravljanih mašina alatki bazira na tzv. "kružnom testu" upotrebom mernog sistema Ballbar QC10 (QC10 – Quick Check 10 min), proizvo�a�a

Renishaw iz Velike Britanije. Centalni deo sistema (hardverski deo) �ini LVDT-pretvara� (Linear Variable Differential Transformer) koji je postavljen izme�u dve �eli�ne kuglice (Ø =12,7 mm ± 2,5 μm) na oba kraja merne palice (R). Ista se postavi u magnetne nosa�e (sedla), koja se pri�vrste na radni sto mašine (A), odnosno stegnu u vreteno mašine (B), slika 1. S obzirom na vrstu i smer testa potrebno je napisati NC-program, koji je u suštini zapis programiranog idealnog kružnog kretanja glav-nog vretena (B) oko centra kuglice A. Polupre�nik kružnice je mogu�e prilagoditi za razli�ite veli�ine mašina alatki izborom dužine merne palice (R = 100, 150, 300 i 600 mm). Mogu�i su kružni (360o), polukružni (180o) ili �etvrtinski (90o) testovi u XY-, XZ- i YZ-ravnima. Kružni (360o) test je sastavljen iz dva dela:

– glavno vreteno B opisuje dva puna kruga oko centra kuglice A, u smeru kretanja kazaljke na satu (CW-clockwise). Relativna pozicija kuglice A je zato 0,0,0;

– glavno vreteno B zatim opisuje dva puna kruga u obrnutom smeru kazaljke na satu (CCW- counter clockwise).

TEHNI�KA DIJAGNOSTIKA (BROJ 3 • 2007)4

Slika 1: Merni sistem Ballbar QC10

(hardverski deo)

Specijalizovani Ballbar softver omogu�ava ana-lizu rezultata merenja i izradu mernih protokola pre-ma razli�itim standardima i to:

- ISO 230-4, - ASME B5.54, - ASME B5.57 i - JIS B 6194

što daje rezultatima primerenu verodostojnost (pro-tokoli kontrole unutar sitema kvaliteta po ISO 9001 služe kao dokaz stanja proizvodne opreme u datom trenutku).

Rezultati Ballbar testa mogu biti prikazani grafi�ki i tabelarno. Uzroke grešaka CNC-mašine je mogu�e, uz pomo� softverskog dela sistema (pro-grama "help"), prikazati kroz �ak 21 karakteristiku, koje ukazuju na odre�enu geometrijsku neta�nost mašine. Pri tome su pojedine parcijalne greške prikazane u % (od ukupne greške mašine).

Rezultat testa je obi�no kombinacija više kara-kteristi�nih parcijalnih grešaka, pri �emu je preovla-davaju�i oblik kružnog zapisa vrlo primetan; manje ili više je povezan sa nekom od definisanih parci-jalnih grešaka, koja ima relativno najve�i uticaj na celokupan rezultat. Jasna interpretacija ostalih, manje uticajnih, grešaka i povezivanje sa mogu�im uzrocima za njihovu pojavu je obi�no veoma zahte-van posao; zahteva odre�eno iskustvo kontrolora i poznavanje strukture i delovanja CNC-mašina i njihovih upravlja�kih jedinica [1,7]. 2.1 Izvo�enje Ballbar QC10 testa

Ballbar QC10 kružni test (360o), za kontrolu geometriske ta�nosti CNC-mašina u proizvodnom okruženju, smo izveli na 5-osnom CNC obradnom centru JOMACH 145 – Italija, u tri ravni (XY, YZ i XZ), za �etiri razli�ite pozicije obradnog stola, slika 2. U ravni XY su izvedeni testovi na visinima 300 i 1200 mm, a u ostale dve ravni na visini 1050 mm. Ukupno smo na mašini izveli 16 testova. Gabariti mašine su omogu�ili da svi testovi budu izvedeni sa istom mernom palicom dužine 300 mm. Tempera-tura okruženja u toku testiranja je bila 20 oC.

Slika 2: Šema obradnog centra i pozicije izvedenih Ballbar testova u sve tri ravni

TEHNI�KA DIJAGNOSTIKA (BROJ 3 • 2007) 5

Slika 3: Grafi�ki i tabelarni prikaz rezultata Ballbar testa u XZ-ravni

2.2 Analiza rezultata testiranja u XZ-ravni

U XZ-ravni su bili izvedeni testovi od 9 do 12, na istoj visini h3 = 1050 mm (sl. 2). U radu je na slici 3 dat primer zapisa rezultata jednog od testova – grafi�ki oblik (gore) i tabelarni oblik (dole). Na osnovu analize rezultata testova 9–12 možemo zaklju�iti da je u vo�icama u pravcu Z-ose prisutan znatan zazor (do 7 �m). Taj zazor u vo�icama (u Z-osi) prouzrokuje promenu položaja glavnog vretena prilikom promene pomaka u pravcu X-ose. Iz rezul-tata testova tako�e je primetan i zazor (odnosno pra-zan hod – Lateral play) u sistemu kugli�nog vretena

koji u pravcu X-ose iznosi oko 4 �m. U pravcu Z-ose je zazor (Backlash) minimalan, do 1 �m. Greška skale (Scalling error) se pojavljuje tako�e u toj (XZ) ravni. U pravcu Z-ose greška skale je pozitivna (15–18 �m/m), u pravcu X-ose greška skale, na visini h3 = 1050 mm, iznosi do 10 �m/m.

3. LASERSKI SISTEM ML10 GOLD STANDARD Laserski sistem ML10 Gold Standard, tako�e

proizvo�a�a Renishaw iz Velike Britanije, predstav-

TEHNI�KA DIJAGNOSTIKA (BROJ 3 • 2007)6

lja vrhunsku mogu�nost za sveobuhvatnu ocenu geo-metrijske ta�nosti i kalibraciju mašina alatki (slika 4), koordinatnih mernih mašina (Coordinate Measu-ring Machine – CMM) i drugih sistema pozi-cioniranja. Visoka ta�nost mono-frekventnog laser-skog izvora, koji sadrži i elektroniku za stabilizaciju snopa, interpolaciju i brojanje interferentnih linija, omogu�ava (pri nanometarskoj rezoluciji) merenje grešaka mašina. Posebni dodatni opti�ki elementi u mernom lancu se koriste za merenje grešaka kod linearnog pozicioniranja, zakretanja osa, ravnosti vo-�ica, upravnosti vo�ica odnosno pomaka radnog stola, ravnosti površine radnog stola i kalibrisanje rotacionih osa ili drugih elemenata mašina alatki, odnosno koordinatnih mernih mašina [8,9].

Slika 4: Laserski merni sistem ML10 za merenje

linearnog kretanja radnog stola Vrlo precizna (nanometarska) merenja se izvode

na osnovu upore�enja dva snopa: osnovnog laser-

skog snopa iz izvora (sa poznatom talasnom duži-nom) te odbijenog snopa sa ogledala i so�iva (po-stavljenih unutar mernog lanca, u zavisnosti od vrste merenja). Na osnovu toga, uzimaju�i u obzir i para-metre okruženja (vlažnost vazduha, temperaturu va-zduha i CNC-mašine), ra�unarski program precizno izra�una greške pozicije od idealnih vrednosti. Te podatke možemo zatim »ru�no« ili preko kabla pre-neti u upravlja�ku jedinicu CNC-mašine. Takva kompenzacija greške poboljšava sposobnost (ta�-nost) CNC-mašine ili koordinatne merne mašine (CMM) [8–10]. 3.1 Izvo�enje laserskog testa i kalibracije na CNC-mašini

Lasersko merenje linearnog kretanja odnosno greške linearnog pozicioniranja radnog stola smo obavili sa laserskim sistemom ML10 Gold Standard na CNC obradnom centru Mori Seiki Frontier M1, u Laboratoriji LABOD®, na Fakulteti za strojništvo u Ljubljani.

U radu su na slici 5 dati rezultati merenja ta�nosti pozicioniranja radnog stola u X-osi pred kalibraciju i na slici 6 ta�nosti pozicioni-ranja po unosu korekturnih faktora u upravlja-�ku jedinicu CNC-mašine.

Slika 5: Rezultati merenja ta�nosti pozicioniranja (stanje pred kalibraciju)

TEHNI�KA DIJAGNOSTIKA (BROJ 3 • 2007) 7

Slika 6: Rezultati merenja ta�nosti pozicioniranja po unosu korekturnih parametara u upravlja�ku jedinicu

CNC-mašine

Lasersko merenje i kalibraciju pozicioniranja radnog stola u X-osi smo izveli na slede�i na�in: ta�nost linearnog pomaka stola smo izmerili za svakih 10 mm, po celokupnoj dužini radnog stola (500 mm). Izmerene vrednosti grešaka su bile zatim unešene u kompenzacijsku tabelu, u upravlja�ku jedinicu CNC-mašine.

Odstupanja, koja prikazuju ta�nost (stvarnu po-ziciju) radnog stola pred korekciju, su bila najve�a na poziciji 200 mm (-4 �m) i na krajnjoj poziciji 500 mm (+6 �m), slika 5. Po korekciji parametara (kompenza-ciji) su se greške pozicije radnog stola bitno smanjile: na celokupnoj dužini radnog stola su bile u intervalu od -0,2 �m do 1,2 �m, slika 6.

4. OPTIMALAN NA�IN UPOTREBE SISTEMA ZA KONTROLU TA�NOSTI CNC-MAŠINA

Oba merna sistema (Ballbar QC10 i ML10 Gold Standard) možemo upotrebiti za kontrolu geome-

trijske ta�nosti CNC-mašina. Me�utim optimalan na�in bi bio uzajamna upotreba (nadopunjavanje) dva sitema kao što je to prikazano na slici 7 [8].

Slika 7 prikazuje ciklus aktivnosti u procesu kontrole i pra�enja geometrijske ta�nosti CNC-mašina. U predloženom modelu upotrebe mernih sistema se laserski merni sistem ML10 Gold Standard upotrebljava za kalibraciju posle ve�ih mehani�kih intervencija pri održavanju CNC-mašina, dok se merni sistem Ballbar QC10 upotrebljava pre svega za brze i redovne (unapred predvi�ene) kontrole ta�nosti CNC-mašina. Takav na�in upotrebe mernih sistema može biti veoma koristan pri planiranju redovnog ili preventivnog održavanja pojedinih elemenata ili sklopova CNC-mašina.

Slika 7: Ciklus aktivnosti pri kontroli i pra�enju geometrijske ta�nosti CNC-mašina

TEHNI�KA DIJAGNOSTIKA (BROJ 3 • 2007)8

5. ZAKLJU�CI

U radu su predstavljena dva mogu�a postupka kontrole geometrijske ta�nosti CNC-mašina i drugih sistema pozicioniranja. Rezultati merenja laserskim sistemom ML10 Gold Standard su, u slu�aju uzajamne upotrebe oba sistema, predstavljeni kao apsolutno ta�no merenje grešaka na mašinama alatkama ili koordinatnim mernim mašinama (CMM). Merni sistem Ballbar QC10, u pore�enju sa laserskim sitemom, �ini se kao da je u podre�enom položaju obzirom na stepen ta�nosti izmerenih rezultata. Me�utim, sistem Ballbar QC10 je u suštini nezamenljiv za brzu ocenu ili kontrolu ta�nosti mašina alatki u razli�itim ravnima. Pri tome je potrebno podvu�i da je analiza rezultata koje dobijemo sa Ballbar testom mnogo zahtevniji posao, jer rezultat testa zavisi od mnogih parametara koji uti�u na (ne)ta�nost mašine. Prepoznavanje pravih uzroka za neta�nost (greške) je baš zbog mnoštva podataka, koji su dati kao rezultat Ballbar testa, u ve�ini slu�ajeva veoma teško i zahteva odre�eno znanje i iskustvo kontrolora. Laserska merenja su u tom pogledu mnogo preciznije »locirana«, jer merimo i kasnije kalibrišemo samo odre�ene (poznate) parametre na mašini. Informacija za �itaoce �asopisa Tehni�ka dijagnostika U Republici Srbiji merni sistem Ballbar QC10 ve� koriste na Fakultetu tehni�kih nauka u Novom Sadu, Institut za proizvodno mašinstvo (kontakt: prof. dr Janko Hodoli� – [email protected]). Merni sistem je nabavio i Mašinski fakultet u Kragujevcu, Centar za virtuelnu proizvodnju – CeVIP (kontakt: doc. dr Vesna Mandi� – [email protected]).

LITERATURA [1] xxx: Presentational CD for Ballbar device, Renishaw, UK, 2004. [2] E.-S. Lee, S.-H. Suh, Ch.-H. Shin: Performance evaluation of NC controller using a Ball-bar, Annals of CIRP, Vol. 34/1/1985, pp. 402–407. [3] Choi J.P., Minb B.K., Lee S.J.: Reduction of machining errors of a three-axis machine tool by on-machine measurement and error compensation system; Journal of Materials processing technology, Vol. 155–156, Year 2004, pp. 2056–2064 [4] M. Cedilnik, M. Sokovi�, J. Kopa�: Upotreba naprave ballbar QC 10 za odre�ivanje geometrijske ta�nosti CNC-mašina, IX Me�unarodna nau�no-stru�na konferencija mma 2006, Novi Sad, Srbija i Crna Gora, 15–16. jun 2006, str. 43–44. [5] M. Stevi�, J. Hodoli�, T. Vre�i�: Primena Ballbar QC 10 sistema, IX Me�unarodna nau�no-stru�na konferencija mma 2006, Novi Sad, Srbija i Crna Gora, 15–16. jun 2006, str. 51–52. [6] M. Cedilnik, M. Sokovi�, J. Kopa�, T. Vre�i�: Merni sistemi za kontrolu ta�nosti i kalibraciju CNC-mašina, Konferencija o održavanju KOD 2007, Tivat, 27–30. jun 2007 (neštampano). [7] xxx: »Help« program in Renishaw Ballbar software, version 5.06.17. [8] xxx: Presentational CD for Laser ML10 device, Renishaw, UK, 2004. [9] Okafor A.C., Ertekin Y.M.: Vertical machining center accuracy characterization using laser interferometer Part 1. Linear positional errors; Journal of Materials processing technology, Vol. 105, Year 2000, pp. 394–406 [10] Y. Kakino, Y. Ihara, Y. Nakatsu: The measurement of motion errors of NC machine tools and diagnostics of their origins by using telescoping magnetic Ballbar method, Annals of CIRP, Vol. 36/1/1987, pp. 377–380.