RU2794584C1

RU2794584C1 - Method for assessing the accuracy of a metal-cutting machine under load

Info

Publication number: RU2794584C1
Application number: RU2022109724A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Андреевич Блохин; Андрей Юрьевич Попов
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-04-21

Abstract

FIELD: machine tool building.

SUBSTANCE: invention can be used to assess the quality of manufacturing, assembly of machine tools with numerical control, determining areas of the working space with the least rigidity, as well as the current state of the carrier system of machine tools. The method includes monitoring the accuracy of a metal-cutting machine with a measuring telescopic sensor with spherical tips fixed in thrust bearings, which makes circular movements around one of the thrust bearings. In this case, the diagnostics are carried out under load when an adjustable driving centrifugal force is applied to the moving nodes, equal in absolute value to the forces arising in the process of milling a test part.

EFFECT: increasing the amount of information obtained during the diagnostics, as well as increasing the reliability of the diagnostics.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение предназначено для проведения диагностики точности металлорежущих станков с числовым программным управлением и иных подобных технологических систем.The invention is intended for diagnosing the accuracy of machine tools with numerical control and other similar technological systems.

Известен способ диагностики точности круговых перемещений на холостом ходу с использованием телескопического датчика со сферическими наконечниками согласно п. 11.3.4.4 Метод, использующий шаровой контрольный калибр с выдвижным стержнем ГОСТ ISO 230-1-2018 «Нормы и правила испытаний станков. Часть 1. Геометрическая точность станков, работающих на холостом ходу или в квазистатических условиях» в котором телескопический датчик со сферическими наконечниками закрепляют на станке с числовым программным управлением (ЧПУ) в специальных подпятниках, один из которых устанавливают на столе станка, а другой на его шпиндельной бабке, перемещающейся относительно стола по круговой траектории. Измерительный сигнал от датчика, пропорциональный изменениям расстояния R между двумя центрами сферы шарниров, отображается в виде круглограммы. Методика испытания и оценки двунаправленного кругового отклонения, среднего двунаправленного радиального отклонения, кругового и радиального отклонения круговых траекторий, которые возникают в связи с одновременными перемещениями по двум линейным осям описаны в ГОСТ ISO 230-4-2015 «Методика испытаний металлорежущих станков. Часть 4. Испытания на отклонения круговых траекторий для станков с ЧПУ».A known method for diagnosing the accuracy of circular movements at idle using a telescopic sensor with spherical tips in accordance with paragraph 11.3.4.4 Method using a ball control gauge with a retractable rod GOST ISO 230-1-2018 “Norms and rules for testing machine tools. Part 1. Geometric accuracy of machine tools operating at idle or in quasi-static conditions "in which a telescopic sensor with spherical tips is fixed on a machine tool with numerical control (CNC) in special thrust bearings, one of which is installed on the machine table and the other on its spindle headstock moving relative to the table along a circular path. The measuring signal from the sensor, which is proportional to changes in the distance R between the two centers of the hinge sphere, is displayed as a circular diagram. The method for testing and evaluating bidirectional circular deviation, average bidirectional radial deviation, circular and radial deviation of circular trajectories that occur in connection with simultaneous movements along two linear axes are described in GOST ISO 230-4-2015 “Method of testing machine tools. Part 4. Tests for deviations of circular trajectories for CNC machines.

Однако способ диагностики точности круговых перемещений на холостом ходу с использованием телескопического датчика со сферическими наконечниками согласно п. 11.3.4.4 ГОСТ ISO 230-1-2018 обладает значительными недостатками, а именно низкой предсказательной способностью полученных результатов для определения точности процесса лезвийной обработки, оценки виброустойчивости несущей системы станка с ЧПУ при воздействии сил, возникающих в процессе резания.However, the method for diagnosing the accuracy of circular movements at idle using a telescopic sensor with spherical tips according to clause 11.3.4.4 of GOST ISO 230-1-2018 has significant drawbacks, namely, the low predictive ability of the results obtained to determine the accuracy of the cutting process, assess the vibration resistance of the carrier CNC machine tool systems under the influence of forces arising in the cutting process.

Также известен метод диагностики точности круговых перемещений под статической нагрузкой.Also known is a method for diagnosing the accuracy of circular movements under static load.

A new method for circular testing of machine tools under loaded condition / A. Archenti, M. Nicolescu, G. Casterman, S. Hjelm // 5th CIRP Conference on High Performance Cutting 2012. - Procedia CIRP 1. - 2012. P. 575 - 580. В этой работе предлагается установить в корпус телескопического датчика пневматический цилиндр и поршень для создания статической силы между двумя опорами в процессе измерения круговых траекторий.A new method for circular testing of machine tools under loaded condition / A. Archenti, M. Nicolescu, G. Casterman, S. Hjelm // 5th CIRP Conference on High Performance Cutting 2012. - Procedia CIRP 1. - 2012. P. 575 - 580. In this work, it is proposed to install a pneumatic cylinder and a piston in the body of a telescopic sensor to create a static force between two supports in the process of measuring circular trajectories.

Недостатком данного способа является использование только лишь статической нагрузки на несущую систему станка, притом она не эквивалентна силам резания, и может широко варьироваться. Кроме того, данный способ требует предельно жесткой фиксации магнитных подпятников и исключает применение стандартных приборов.The disadvantage of this method is the use of only a static load on the carrier system of the machine, moreover, it is not equivalent to the cutting forces, and can vary widely. In addition, this method requires extremely rigid fixation of magnetic thrust bearings and eliminates the use of standard devices.

Для диагностики точности металлорежущего станка под нагрузкой в настоящее время не регламентировано никаких методик, кроме изготовления контрольной детали согласно ГОСТ 8-82 «Станки металлорежущие. Общие требования к испытаниям на точность».To diagnose the accuracy of a metal-cutting machine under load, no methods are currently regulated, except for the manufacture of a control part in accordance with GOST 8-82 “Metal-cutting machines. General requirements for accuracy tests.

Задачей изобретения является повышение достоверности диагностики точности станков с числовым программным управлением, работающих с лезвийным инструментом.The objective of the invention is to increase the reliability of diagnostics of the accuracy of machine tools with numerical control, working with a blade tool.

Создание объемной карты точности рабочей зоны станка с имитацией рабочих усилий от фрезы позволяет установить участки рабочей зоны, в которых виброустойчивость и точность обработки наибольшая и ограничить режимы резания по силовым параметрам.Creation of a three-dimensional map of the accuracy of the working area of the machine tool with imitation of working forces from the cutter allows you to set the areas of the working area in which vibration resistance and processing accuracy are the highest and limit cutting modes by power parameters.

Способ диагностики точности металлорежущего станка под нагрузкой заключается в том, что после определения типовых режимов резания, которые могут применяться на станке с ЧПУ, по методикам описанных в справочниках В.И. Гузеева, Ю.В. Барановского либо по методикам расчета предложенными фирмами Sandvik и Walter определяется расчетная величина силы резания. После этого для создания эквивалентной силовой нагрузки рассчитывается масса и эксцентриситет груза для частоты вращения, соответствующей частоте вращения шпинделя. Затем на стол станка монтируется и запускается устройство, моделирующее внешнюю нагрузку от фрезы, устанавливается телескопический датчик и производится измерение по ГОСТ ISO 230-4-2015 «Методика испытаний металлорежущих станков. Часть 4. Испытания на отклонения круговых траекторий для станков с ЧПУ». Далее при необходимости изменяют положение оси электродвигателя путем смещения или наклона и повторяют измерение. Расширение функциональных возможностей диагностики технического состояния несущей системы металлообрабатывающего станка с числовым программным управлением возможно за счет изменения используемого участка рабочей зоны путем смещения центра круговой траектории, величина которого равна или больше радиуса номинальной траектории, если это геометрически возможно.The method for diagnosing the accuracy of a metal-cutting machine under load is that after determining the typical cutting conditions that can be used on a CNC machine, according to the methods described in V.I. Guzeeva, Yu.V. Baranovsky or according to the calculation methods proposed by Sandvik and Walter, the calculated value of the cutting force is determined. The mass and eccentricity of the load are then calculated for the speed corresponding to the spindle speed to create an equivalent force load. Then a device is mounted on the machine table and launched, simulating the external load from the cutter, a telescopic sensor is installed and the measurement is made in accordance with GOST ISO 230-4-2015 “Method of testing metal-cutting machines. Part 4. Tests for deviations of circular trajectories for CNC machines. Further, if necessary, change the position of the axis of the electric motor by displacement or inclination and repeat the measurement. Expanding the functionality of diagnosing the technical condition of the carrier system of a metalworking machine with numerical control is possible by changing the used section of the working area by shifting the center of the circular trajectory, the value of which is equal to or greater than the radius of the nominal trajectory, if it is geometrically possible.

Предложенный способ позволяет осуществить анализ массива круговых диаграмм, полученных на станке в процессе измерения точности круговых перемещений при одновременном приложении к подвижному узлу вибрационной нагрузки эквивалентной по модулю силе резания. Из полученных данных выделяют участки рабочей зоны с допустимой и недостаточной точностью под действием внешних сил.The proposed method allows the analysis of an array of circular diagrams obtained on the machine in the process of measuring the accuracy of circular movements while applying a vibration load equivalent in absolute value to the cutting force to the movable unit. From the data obtained, sections of the working area are distinguished with acceptable and insufficient accuracy under the action of external forces.

Для реализации предложенного способа диагностики точности металлорежущего станка под нагрузкой предложено устройство для его осуществления, состоящее из телескопического датчика 3 со сферическими наконечниками 1, которые закрепляют на станке с ЧПУ в специальных подпятниках 2, один из которых устанавливают на столе станка, а другой на его шпиндельной бабке, перемещающейся относительно стола по круговой траектории. Измерительный сигнал от датчика, пропорциональный изменениям расстояния R между двумя центрами сферы шарниров, отображается в виде круглограммы.To implement the proposed method for diagnosing the accuracy of a metal-cutting machine under load, a device for its implementation is proposed, consisting of a telescopic sensor 3 with spherical tips 1, which are fixed on the CNC machine in special thrust bearings 2, one of which is installed on the machine table, and the other on its spindle headstock moving relative to the table along a circular path. The measuring signal from the sensor, which is proportional to changes in the distance R between the two centers of the hinge sphere, is displayed as a circular diagram.

Для повышения информативности измерений геометрической точности перемещений подвижных узлов станка к ним непосредственно прикладывается эквивалентная нагрузка, которая создает вынужденные колебания с амплитудой, равной амплитуде в процессе резания. Для несущей системы станка осуществляют на входе гармоническое возбуждение и замеряют отклик системы на выходе, при этом для получения динамических характеристик возбуждают исследуемую конструкцию с помощью регулируемой центробежной силы. Для этого предлагается использование внешнего источника вынужденных колебаний, передающего усилие на стол станка 4.To increase the information content of measurements of the geometric accuracy of the movements of the moving parts of the machine, an equivalent load is directly applied to them, which creates forced oscillations with an amplitude equal to the amplitude during the cutting process. For the carrier system of the machine, harmonic excitation is carried out at the input and the response of the system at the output is measured, while in order to obtain dynamic characteristics, the structure under study is excited using an adjustable centrifugal force. To do this, it is proposed to use an external source of forced oscillations that transmits force to the machine table 4.

На Фиг. 1 представлена предлагаемая схема установки для нагружения станка и измерения амплитуды вынужденных колебаний, имитирующих процесс фрезерования.On FIG. 1 shows the proposed scheme of the installation for loading the machine and measuring the amplitude of forced vibrations simulating the milling process.

На Фиг. 2 представлен разрез нагрузочной установки для демонстрации эксцентрично расположенного груза наклонной платформы.On FIG. 2 is a cross-section of a load rig to show the eccentrically positioned load of an inclined platform.

Трехфазный электродвигатель 5, установленный на базирующем поворотном устройстве, подключенный через частотный преобразователь 7, на конце вала которого эксцентрично, со смещением центра масс на величину ε, установлен сборный груз 6 изменяемой массы m. Наличие эксцентрично расположенных вращающихся масс вызывают динамический дисбаланс. Таким образом, действующая на груз центробежная сила передается на стол станка через базирующее поворотное устройство 8 и основание поворотного устройства 9, которое жестко закрепляется на подвижном столе станка 4.A three-phase electric motor 5, mounted on a base rotary device, connected through a frequency converter 7, at the end of the shaft of which is eccentrically, with a center of mass shift by ε, a combined load 6 of variable mass m is installed. The presence of eccentrically located rotating masses cause a dynamic imbalance. Thus, the centrifugal force acting on the load is transmitted to the machine table through the base rotary device 8 and the base of the rotary device 9, which is rigidly fixed on the movable table of the machine tool 4.

Величина имитирующего усилия определяется по аналогичному воздействию на станок, которое может быть определено путем сравнения амплитуды колебаний, определяемой в результате нагружения и зафиксированной амплитуды колебаний во время пробного прохода с конкретным инструментом и режимами резания. Также расчет центробежной силы, создающей внешнее воздействие, может производиться по формуле

где m - масса дисбаланса, кг; е - эксцентриситет, м; ω - частота вращения шпинделя, Гц.The magnitude of the simulated force is determined by a similar effect on the machine, which can be determined by comparing the vibration amplitude determined as a result of loading and the recorded vibration amplitude during a test pass with a specific tool and cutting conditions. Also, the calculation of the centrifugal force that creates an external effect can be made using the formula

where m is the mass of imbalance, kg; e - eccentricity, m; ω - spindle speed, Hz.

Одним из основных параметров позиционных шариково-винтовых пар является величина люфта или предварительного натяга, который в процессе эксплуатации становится неравномерным. Люфты приводов станков напрямую оказывают влияние на точность размерной обработки, например, при фрезеровании отверстий или спиральных пазов из-за наличия люфта на спиральной поверхности детали будут образовываться плоские участки в процессе реверса узлов. Изобретение с наибольшим эффектом может быть применено при диагностировании и оценке конструкций станков прецизионной точности с числовым программным управлением.One of the main parameters of positional ball screws is the amount of backlash or preload, which becomes uneven during operation. Backlashes of machine drives directly affect the accuracy of dimensional processing, for example, when milling holes or spiral grooves, due to the presence of play on the spiral surface of the part, flat areas will form during the reverse of the nodes. The invention with the greatest effect can be applied in diagnosing and evaluating the designs of precision precision machine tools with numerical control.

Преимуществом измерений точности станка при приложении нагрузки является получение более полной и достоверной информации о состоянии узлов станка и точности их согласованных перемещений в условиях, имитирующих реальный процесс резания.The advantage of measuring the accuracy of the machine tool when applying the load is to obtain more complete and reliable information about the state of the machine components and the accuracy of their coordinated movements under conditions that simulate the real cutting process.

Динамические составляющие сил резания, приложенные к несущей системе станка, играют важную роль в процессе резания, поэтому для повышения достоверности и информативности проводимых измерений требуется проведение испытаний в условиях, приближенных к реальному процессу резания. Наиболее информативным инструментом для диагностики текущего состояния оборудования является получение его вибрационных характеристик, которые непосредственно связаны с параметрами его узлов и напрямую определяют различные показатели его точности. Наблюдаемые амплитуды вибрации станков непосредственно отражаются на обработанной детали, что и определяет точностные показатели оборудования в различных точках его рабочего пространства. При работе станков возникает широкий спектр колебаний, природа которых имеет как стационарный, так и позиционно-зависимый характер.The dynamic components of the cutting forces applied to the carrier system of the machine play an important role in the cutting process, therefore, in order to increase the reliability and information content of the measurements, it is required to conduct tests under conditions close to the actual cutting process. The most informative tool for diagnosing the current state of the equipment is to obtain its vibration characteristics, which are directly related to the parameters of its nodes and directly determine various indicators of its accuracy. The observed vibration amplitudes of machines are directly reflected in the machined part, which determines the accuracy of the equipment at various points in its working space. During the operation of machine tools, a wide range of oscillations occurs, the nature of which is both stationary and position-dependent.

С целью повышения информативности и достоверности диагностика может проводиться многократно с изменением скорости подачи, частоты вынужденных колебаний, и положения нагрузочного устройства. Положение точек измерения (а-е) и источника вынужденных колебаний на виде сверху на стол станка приведены на фиг.3.In order to increase the information content and reliability, diagnostics can be carried out repeatedly with a change in the feed rate, the frequency of forced oscillations, and the position of the load device. The position of the measurement points (a-e) and the source of forced vibrations in the top view on the machine table are shown in Fig.3.

На Фиг. 3 наблюдается значительное увеличение амплитуды колебаний вплоть до 40 мкм в точках измерения «а» и «б» которое приводит к снижению точности обработки. Полезный технический результат применения способа диагностики точности круговых перемещений станка под нагрузкой представлен на фиг.4.On FIG. 3, there is a significant increase in the amplitude of oscillations up to 40 μm at the measurement points "a" and "b", which leads to a decrease in processing accuracy. A useful technical result of applying the method for diagnosing the accuracy of the circular movements of the machine under load is shown in Fig.4.

Реферат: Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано для оценки точности, качества изготовления, сборки металлорежущих станков с числовым программным управлением, определения участков рабочего пространства с наименьшей жесткостью, а также текущего состояния несущей системы металлорежущих станков. Технический результат заключается в увеличении объема информации, получаемой в ходе диагностики, а также повышении достоверности диагностики.Summary: The invention relates to machine tool building and can be used to assess the accuracy, workmanship, assembly of machine tools with numerical control, determine the areas of the working space with the least rigidity, as well as the current state of the carrier system of machine tools. The technical result consists in increasing the amount of information obtained during the diagnosis, as well as increasing the reliability of the diagnosis.

Claims

1. A method for diagnosing the accuracy of a metal-cutting machine with a measuring telescopic sensor with spherical tips fixed in thrust bearings, making circular movements around one of the thrust bearings, characterized in that the diagnostics produced under load when applied to the moving nodes of an adjustable driving centrifugal force, equal in absolute value to the forces arising in the process of milling a trial part.

2. The method according to claim 1, characterized in that the application of driving forces is carried out in a plane inclined to the horizontal at an angle equal to the angle of elevation of the helical groove of the cutting tool to simulate the vertical component of the cutting force.

3. The method according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that, to increase the information content, they are used with multiple displacements of the center of the circular trajectory.