Publication details
Abstracts and keywords
Przedstawiona praca jest kompendium wiedzy poświęconym analizie źródeł błędów obrabiarek CNC i skutkom ich oddziaływania. Jest kompleksowym studium teoretycznym i praktycznym dotyczącym metod diagnostycznych identyfikacji błędów obrabiarek (statycznych i dynamicznych, osi liniowych i obrotowych), sposobów i dostępnych na rynku europejskim urządzeń pozwalających na skuteczne ich wykrywanie. Rozpoznanie źródeł błędów dzięki monitorowaniu i diagnostyce jest niezwykle ważne do zoptymalizowania działań zapobiegawczych przed uszkodzeniem maszyny i wyeliminowaniem jej z procesu produkcyjnego. Dynamiczne procesy mechaniczne zachodzące na obrabiarkach CNC dotyczą zamiany energii mechanicznej wytworzonej przez silniki elektryczne (lub inne) na pracę. Ponieważ przenoszenie energii wytwarzanej z silnia do zespołu roboczego obrabiarki CNC odbywa się za pośrednictwem fizycznych elementów wykonanych i zmontowanych z określoną dokładnością, stają się one źródłem błędów geometrycznych, które zmieniają się w funkcji czasu eksploatacji, głównie wskutek zużycia. Szczegółową analizę rodzajów błędów i ich charakterystykę zaprezentowano w rozdziale 1. W rozdziale 2 określono cel i zakres pracy. Skupiono się głównie na błędach pozycjonowania osi liniowych i obrotowych, którym poświecono rozdział 3 oraz rozdział 4, a także innych błędach geometrycznych, kinematycznych i termicznych. W rozdziale 5 omówiono błędy identyfikowane kinematycznym prętem teleskopowym. Wyniki tych prac wykorzystano do opracowania modeli prognostycznych identyfikacji błędów obrabiarek. Kolejnym rozważanym w pracy zagadnieniem są oddziaływania termiczne w obrabiarkach, którym poświęcono rozdział 6. Ich źródłem są głównie tarcie oraz odkształcenia sprężyste, zachodzące wskutek oddziaływań siłowych, bezwładnościowych i kinematycznych. Diagnostyka termograficzna obrabiarki daje podstawę do skutecznego minimalizowania odkształceń termicznych. Ważnym zagadnieniem zaprezentowanym w rozdziale 7 jest uwzględnienie błędnych ruchów wrzecion. W obrabiarkach sterowanych numerycznie realizowane są zaprogramowane ruchy opisane w założonym układzie współrzędnych. Precyzja realizacji opisanych w programie trajektorii zależy nie tylko od dokładności przemieszczeń w osiach sterowanych numerycznie ale także błędnych ruchów wrzecion. W pracy zawarto metody identyfikacji błędów wrzecion (synchronicznych, asynchronicznych, i innych), jak również omówiono metody identyfikacji położenia środków kinematycznych osi obrotowych wybranych obrabiarek (rozdział 8). Rozdział 9 poświecono akustycznej diagnostyce obrabiarek. Generowane dźwięki mają różne źródła, natężenie i zakres oddziaływania. Z punktu widzenia bezpieczeństwa najbardziej niebezpieczny jest hałas i jego oddziaływanie na narządy słuchu operatora. Hałas jest również skorelowany z procesami destrukcyjnymi zachodzącymi w maszynie. Jest wynikiem pogarszającego się stanu technicznego urządzenia, dlatego też niesie cenne informacje o zbliżającej się np. awarii. W pracy wyznaczono mapy akustyczne obrabiarek określonego typu, z wykorzystaniem holografii akustycznej. Zidentyfikowano źródła generowania hałasu w obrabiarkach oraz określono poziomy ciśnienia akustycznego generowanego przez obrabiarki. Praca stanowi prezentację zwartego – syntetycznego i usystematyzowanego obszaru wiedzy, dotyczącego eksperymentalnej identyfikacji błędów obrabiarek, niedostępnego do tej pory w zbiorach bibliograficznych. Analiza błędów obrabiarek i tworzenie historii ich rozwoju jest niezwykle ważnym zadaniem w warunkach przemysłowych. Znajomość wartości błędów i charakteru ich zmian, umożliwia wydłużenie trwałości obrabiarek, między innymi dzięki możliwości kompensacji błędów i wpływaniu na parametry napędów. Pozwala to także na utrzymanie maszyn w ciągłej gotowości eksploatacyjnej i wyprzedzające działania związane z remontami i naprawami, a także prognozowanie stanów przyszłych dla określonej grupy obrabiarek o zbliżonych cechach geometryczno-kinematycznych.
The development of CNC machine tools is primarily aimed at creating new solutions as well as enhancing the existing ones. Despite the use of more and more precise machine tools, new drive units, spindles, transmissions, measurementcontrol systems, etc., the occurrence of errors in the production process has not been eliminated, resulting in the need to compensate for these errors, linear and angular alike [49, 51]. Errors resulting from a specific technical condition of machine tools are predominantly linear and angular positioning deviations, including their repeatability and clearance [30, 75, 96, 103, 113]. Their values depend on various internal and external factors. The most significant of these factors are geometric and kinematic factors associated with the machine tool, as well as thermal factors, drive errors, regulator and measurement system errors including those resulting from the machining process. Errors occurring in machine tools can be divided into those occurring systematically and by chance (randomly) [30]. All systematic errors, irrespective of their type (geometric, kinematic, thermal), can be compensated, and the accuracy of their compensation depends on the accuracy of their identification and the rate of their change [74, 75]. Regular (predictable) errors with little dynamics can be compensated for with great accuracy if one knows the nature of their changes. It is difficult, however, to compensate for dynamic errors [113]. Machine tool errors are also caused by thermal action resulting from friction, compressive distortion, plastic deformation occurring in production processes (primarily as a result of force, inertial and kinematic interactions), etc. [13, 48, 53, 58, 66, 89–91, 95, 129]. Thermal changes in machine tools are mostly slowly varying processes with characteristics of the first-order inertial element, relatively simple to compensate [13, 90–91]. Obviously, a model describing these changes has to be developed and mathematically described. The capture of data necessary for building such model can be done experimentally or analytically. As far as analytical methods are concerned, they are easily implemented for single- or simple-geometry parts (e.g. ball screws) but – given the overall geometric complexity of machine tools – experimental methods are more precise and thus suitable for this purpose [13, 91, 129]. What they take into consideration is the actual machine structure and the real conditions of heat generation. A good example of changes resulting from heat fluctuations is the linear expansion of a ball screw, the change of guidebar dimensions or the change in a rotary axis position. The source of thermal interactions in machine tools are all types of heatgenerating units such as bearings, motors, clutches, as well as gears, pumps, and the very physical machine tool process [53, 58]. In light of the above, if feasible, all heat-generating systems should be placed outside the machine tool to decrease the impact of heat changes on the machine tool body. All design and technological actions (the use of appropriate materials, correct operating parameters, etc.) are aimed at reducing thermal deflections of the machine tool body and, consequently, at preventing changes in the position of shaft and spindle axes [91]. Another group of machine tool errors investigated in this study are stochastic errors. They result from the random impact of both external and internal factors such as vibrations transmitted by surface, vibrations generated during machine tool process, heat streams coming from the production area and external sunlight. This particular group of errors is more difficult to identify and compensate for due to the lack of functional relations describing their occurrence. Although there are some design methods by which – even at the design stage – designers try to limit the influence of random factors, e.g. by proper design and implementation of active vibration reduction systems, they are not sufficient and do not always bring the desired results. Some of these errors can be significantly reduced, but it is not possible to eliminate them altogether [1, 7, 8, 12, 15, 20, 27, 29, 33, 48, 62, 86, 92, 128]. Noise and its impact on the operator’s and other people’s hearing are a crucial problem with respect to the safety of machine tool operation. Noise generated during machine operation has a negative influence on the human body, contributing to difficult work conditions. It is therefore necessary to monitor and identify noise generated by machine tool components and the implemented process. Noise can also result from a deteriorating condition of the machine, and – for this reason – it can be a source of valuable information, e.g. about upcoming failures. This work also touches upon the problem of negative impact of noise on the human body [134, 147]. Acoustic maps for specific types of machine tools operating in different frequencies are produced by acoustic holography. Sources of noise in machine tools are identified and the levels of acoustic pressure generated by the machine tool are determined. Programmed movements described in the set coordinate system are implemented in numerically controlled machine tools. The precision of realization of trajectories described in the programme depends on both the accuracy of movements in the numerically controlled axis and the influence of technological process factors. Spindle motion errors are also of crucial importance. This work describes methods for identifying spindle errors (synchronous, asynchronous and others). Finally, methods for rotary axis kinematic centre positioning in selected machine tools are discussed.
