Chociaż artykuł ten opisuje przede wszystkim jak diagnozować błędy wykonania detali przy obróbkach specjalnych na tokarkach, to może on być także wskazówką ogólną, jak podejść do diagnostyki przyczyn błędów obróbki wynikających z dokładności wykonania i działania wszystkich obrabiarek, zakładając poprawne stosowanie technologii obróbki.

Robert Jastrzębski

W poprzedniej części przedstawione zostały podstawowe założenia opisywanego sposobu diagnostyki rozpatrującego błędy realizowanych trajektorii zadanych ruchów technologicznych narzędzia i przedmiotu obrabianego, a także wskazówki, jak wykorzystać do oceny dokładności realizowanych ruchów technologicznych, możliwości diagnostyczne dwóch metod badań dokładności obrabiarek CNC, wynikających z przepisów badań obrabiarek (Rys. 1).

Rys. 1  Pomiar dokładności wirującej osi stołu obrotowego

Jednak dla niektórych specjalnych rodzajów obróbki złożonej standardowe metody badań obrabiarek mogą nie wystarczyć do oceny powstających błędów obróbki, dlatego w tej części artykułu zdecydowałem się na opis specjalnej metody pomiarów chwilowych prędkości obrotowych, jako przykład uchwycenia zjawisk dynamiki ruchu obrotowego wyjaśniających błędy powstające przy niektórych rodzajach obróbki złożonej na tokarkach.

Pomiar dokładności i równomierności zadanych prędkości osi obrotowych
Specjalna metoda przydatna do oceny błędów obróbki na tokarkach wykorzystujących synchronizację: prędkości dwóch wrzecion (np. obróbka z przechwytem przedmiotu), stałego przełożenia prędkości wrzeciona i narzędzia (np. obróbka wielokątów) lub prędkości wrzeciona i zadanej trajektorii osi posuwowej, w zakresie oceny błędów prędkości i ich wpływu na uzyskiwane kształty. Metoda została opracowana i wdrożona przeze mnie w ramach realizowanego w latach 2010-2012 w CBKO projektu badawczego. Podstawowa zaleta tej metody to możliwość pomiaru chwilowych prędkości na bardzo krótkich odcinkach drogi (od 5 µm) i krótkich odcinkach czasu (zrealizowano możliwość próbkowania co 12,5 ns).

Rys. 2  Schemat pomiaru prędkości chwilowej wrzeciona

Dla potrzeb badań odchyleń chwilowych od zadanej prędkości obrotowej, pomiary prędkości w odstępach czasu wyższych od 1 ms są nieprzydatne, zbyt mocno uśrednione, dla zjawisk zachodzących przy obróbce. Z kolei dla dokładnego pomiaru chwilowej prędkości obrotowej na drodze kątowej ułamka obrotu przy prędkościach obrotowych stosowanych do obróbek specjalnych na tokarce, pojawia się problem bardzo dokładnego pomiaru drogi i bardzo krótkich odcinków czasu (rzędu nanometrów i nanosekund). Przykładowo: dla 1000 obr/min i tylko dla 60 pkt/obr, czas pomiaru 1/60 obrotu wynosi 1 ms. Dla zachowania dokładności co najmniej 1%  czas 1/60 obrotu należy zmierzyć z dokładnością w nanosekundach, a wymagana dokładność pomiaru prędkości będzie zachowana przy odmierzaniu czasu z bardzo dokładnych odcinków drogi.
Rozwiązano to następująco: zastosowano enkoder z pomiarem optycznym bezstykowym o 11840 imp/obr, o dokładności 7”/360º i rozdzielczości impulsów co 5 µm. Dokładność pomiaru drogi dla pełnego obrotu wynosi 0,18 µm, a na impuls jest nie gorsza niż 0,001 µm (0,02%/5 µm). Czas pomiędzy impulsami mierzono metodą licznikową, wprowadzając standardowy sygnał z enkodera na wejścia licznikowe posiadanej karty pomiarowej taktowane częstotliwością 80 MHz. Daje to dokładność pomiaru czasu ±6,25 ns. Pomiary i obliczenia prędkości chwilowej obsługuje program własny napisany w środowisku LabView. Metoda jest uniwersalna, pozwala wykorzystać każdy przetwornik obrotowo impulsowy o standardowym sygnale TTL. Niepewność pomiaru prędkości chwilowej zależy od dokładności i rozdzielczości przemieszczenia kątowego zastosowanego przetwornika oraz podanej dokładności pomiaru czasu. Rysunek 2 przedstawia schemat zrealizowanego układu pomiarowego.
Przykład wykorzystania metody:
Wpływ błędów chwilowej prędkości obrotowej wrzecion na dokładność położenia kątowego po przechwycie.
Obróbkę z przechwytem przedmiotu obrabianego przez drugie wrzeciono, tzw. przechwytujące, stosuje się przy wysokowydajnej obróbce przedmiotów symetrycznych, obrabianych z obu stron. Przechwyt następuje bez zatrzymywania obrotów, przy jednoczesnej synchronizacji prędkości i położenia kątowego wirujących osi wrzecion. Jeśli istotne jest dla przedmiotu obrabianego zachowanie położenia kątowego po przechwycie, to do oceny tej dokładności można zastosować przedstawioną metodę pomiaru dokładności i równomierności nastawionej prędkości obrotowej. Na rysunku 3 przedstawiono wynik pomiaru prędkości obrotowej wrzeciona (z 50 obrotów), pracującego w trybie synchronizacji z wrzecionem przechwytującym dla nastawy 1200 obr/min.

Rys. 3  Wynik pomiaru prędkości chwilowej wrzeciona pracującego w trybie synchronizacji obrotów z wrzecionem przechwytującym dla nastawy 1200 obr/min w czasie 2,5 sek. (50 obr.) z częstością próbkowania 240 pkt/obr.

Dla oceny mogących wystąpić błędów kątowych istotna jest równomierność prędkości (błąd wartości średniej w stosunku do nastawy nie ma tu znaczenia, gdyż wartości średnie prędkości dla obu wrzecion są w tym trybie pracy takie same), a w ciągłym procesie doregulowywania się pozycji kątowej i prędkości występują chwilowe oscylacje wynikające z dynamiki ruchu i działania regulatorów prędkości. Wielkości tych zmian uwidocznił pomiar prędkości chwilowej (Rys. 3).
Wpływ oscylacji w stanie synchronizacji na wzajemne kątowe położenie wrzecion można oszacować przy założeniu, że prędkość jednego z wrzecion jest stała, a drugie przyspiesza jednostajnie na określonej drodze kątowej. Podstawa tych założeń wynika z analizy zarejestrowanych przebiegów prędkości obrotowej obu wrzecion w stanie synchronizacji, gdzie różnice pomiędzy max. i min. występowały w rozpatrywanym przypadku nie szybciej niż na drodze kątowej równej ½ obrotu. Zakładając prędkość początkową obu wrzecion, jako zarejestrowaną minimalną V0 = 1191 obr/min, po czym jedno z nich w ciągu pół obrotu osiąga prędkość max. V1 = 1196 obr/min, można wyliczyć przyspieszenie:

gdzie czas t odpowiada czasowi, jaki trwa pół obrotu wrzeciona przy prędkości stałej (V0), równej 1191 obr/min (t = 0,02519 sek.).
Znając przyspieszenie i warunki początkowe, można wyliczyć drogę kątową, jaką przebędzie wrzeciono przyspieszające jednostajne w czasie t:

Różnica pozycji kątowej, jaka wytworzy się wtedy pomiędzy dwoma wrzecionami, będzie równa 0,379°. Jeśli w tym momencie nastąpi zaciśnięcie się szczęk wrzeciona przechwytującego na przedmiocie, to różnica ta pozostanie po przechwycie, jako błąd. Można ją przyjąć dla 1200 obr/min., jako maksymalną składową błędu przechwytu od dokładności synchronizacji prędkości. Dla zmniejszenia błędu kątowego po przechwycie należałoby albo zmniejszyć prędkości obrotowe przy przechwycie lub dokonać ewentualnych regulacji.

Rys. 4  Przykład obróbki złożonej

Wykorzystując przedstawioną metodę pomiaru prędkości chwilowych można było oszacować błędy obróbki od ruchów obrotowych dla wymienionych na wstępie rodzajów obróbki:
- wysokowydajne „toczenie” wielokątów [1],
- obróbka gwintów falistych,
- opisana obróbka z przechwytem.