Z powodu odkształceń termicznych i pewnych niedokładności w nawet najlepszych układach mechanicznych, dokładność obrabiarek nie zawsze jest tak wysoka, jak mogłaby być. Z upływem lat, chęć poprawienia dokładności zaowocowała szeregiem metod kompensacji, która wykorzystuje sterowniki, w tym kompensację błędu prowadzenia, kompensację w osi poprzecznej i kompensację przestrzenną 3D. Firma Siemens Energy & Automation proponuje (tak potrzebne) uzupełnienie wcześniej opracowanych metod.
Na Międzynarodowych Targach Technologii Produkcyjnych (International Manufacturing Technology Show) w Chicago firma dokonała prezentacji swojego nowego systemu kompensacji objętościowej (Volumetric Compensation System – VCS). Działający na sterownikach SINUMERIK 840 D, VCS bierze na cel błędy geometryczne, które mogą wpłynąć negatywnie na lokalizację i orientację punktu środkowego narzędzia.
VCS nie może sprawić, że zła maszyna stanie się dobra, ale może sprawić, że dobra stanie się lepsza. To brzmi staromodnie, ale to prawda – twierdzi Timothy Shafer, zatrudniony w firmie Siemens dyrektor ds. technologii lotniczych i kosmonautycznych, jednego z pierwszych typów przemysłu, który ma ocenić wartość nowej metody kompensacji.
Błędy geometryczne na maszynie trójosiowej powodują powstanie rozbieżności między zaprogramowaną i faktyczną lokalizacją i orientacją punktu środkowego narzędzia.
Jak duża ma być poprawa? Shafer stwierdza, że podczas prób VCS powodował wzrost dokładności o 75-80 procent, jednak przy niektórych testach system sprawował się jeszcze lepiej. Na przykład podczas jednego z niedawnych testów na frezarce portalowej, VCS spowodował zmniejszenie błędu objętościowego w pełnym zakresie przestrzeni roboczej maszyny z 0,40 mm do mniej niż 0,025 mm. Shafer odnotowuje, że wszystkie testy, jakie przeprowadziła firma Siemens i jej klienci, odbyły się na „maszynach z pełną kompensacją” – to znaczy na maszynach, wykorzystujących szereg wcześniej opracowanych metod kompensacji. Nie używaliśmy do testów maszyn bez żadnej formy kompensacji – nadmienia Shafer.
Część prób miała miejsce w firmie Lockheed Martin, która testuje VCS pod kątem wykorzystania w programie myśliwca JSF. Firma nie odpowiedziała od razu na prośbę o udzielenie wywiadu, ale jeden z jej inżynierów przygotował prezentację VCS na zorganizowanej przez SAE International konferencji poświęconej produkcji lotniczo-kosmonautycznej i zautomatyzowanemu montażowi (SAE Aerospace Manufacturing and Automated Assembly Conference), która odbyła się w październiku 2008 r. w Charleston w stanie South Carolina.
Jak to działa?
Aby stworzyć VCS, firma Siemens skorzystała z doświadczeń producentów maszyn dokonujących pomiaru współrzędnych, którzy mają solidny dorobek, jeśli chodzi o kontrolowanie dokładności pozycjonowania. Shafer twierdzi, że – tak jak sterowanie współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM) – VCS wykorzystuje „21-parametrowy model” błędów geometrycznych. Model ten uwzględnia wszystkie 21 błędów liniowych i obrotowych, które trapią trój- i pięcioosiowe maszyny pracujące w układzie współrzędnych prostokątnych – w tym błędy związane z prostokątnością, pozycjonowaniem liniowym, odchyleniem, nachyleniem, przechyleniem i prostoliniowością maszyny. Shafer zauważa, że wcześniejsze metody kompensacji, mimo że były skuteczne w przypadku błędów liniowych, nie uwzględniały błędów kątowych.
Na trój- i pięcioosiowej obrabiarce pracującej w układzie współrzędnych prostokątnych występują geometryczne błędy liniowe i kątowe, które mogą doprowadzić do powstania problemów z dokładnością.
VCS rozpoczyna od procesu kalibracji, który określa wielkość tych 21 źródeł błędów dla danej maszyny. Po zakończeniu tego procesu i osiągnięciu przez maszynę stanu gotowości do pracy działać zaczną algorytmy sterujące systemu. Jak wyjaśnia Shafer, algorytmy te działają wewnątrz cyklu interpolacyjnego sterownika, by zgrać zaprogramowaną i faktyczną lokalizację i orientację końcówki narzędzia.
VCS Siemensa nie jest jedyną próbą stworzenia systemu kompensacji objętościowej. Badacze uniwersyteccy pracują nad tym problemem od lat. Jednym z przykładów jest opracowane przez Ośrodek Współpracy Przemysłowej w Dziedzinie Technologii Precyzyjnych na University of Huddersfield oprogramowanie do kompensacji objętościowej.
Tym, co wyróżnia system Siemensa, jest jednak fakt, że został on ściśle zintegrowany ze sterownikiem komercyjnej obrabiarki, który ma dość mocy obliczeniowej, by wykonywać algorytmy kompensacyjne w czasie rzeczywistym. Wszystko odbywa się w cyklu sterowania w zamkniętej pętli w ramach obliczania położenia, nie ma to więc wpływu na czas jednostkowy – stwierdza Shafer, dodając, że pod tym względem VCS różni się od sterowników CMM, które zazwyczaj stosują swoje algorytmy kompensacyjne w trybie offline.
Najprawdopodobniej pierwszymi użytkownikami VCS będą firmy z sektora lotniczo-kosmonautycznego. Na pierwszy rzut oka wydawałoby się, że istniejące metody kompensacji wystarczają w przypadku typowych tolerancji wymiarowych mających zastosowanie do dużych, obrabianych skrawaniem elementów jednostek latających. Shafer określa te tolerancje na ±0,8 mm, co już można osiągnąć na średniej klasy obrabiarce wykorzystującej inne metody kompensacji. Jednak dokładniejsze maszyny bez wątpienia przyniosłyby korzyści, pozwalając użytkownikom stosować węższe granice tolerancji, poprawić wydajność i uniknąć problemów związanych z niedopasowaniem części współpracujących ze sobą. Z tych względów istnieje bardzo duże zainteresowanie w przemyśle lotniczym i kosmonautycznym – dodaje Shafer. Co więcej, niektóre większe podzespoły, zwłaszcza te stosowane w samolotach wojskowych, mają tolerancje wymiarowe rzędu 0,12 mm, co jest kolejnym argumentem na rzecz stosowania VCS.
Zastosowania w branżach innych niż przemysł lotniczo-kosmonautyczny także wydają się prawdopodobne. Shafer twierdzi, że VCS można byłoby z taką samą łatwością wykorzystać przy obróbce skrawaniem dużych elementów stosowanych w sprzęcie budowlanym, rafineriach gazowych i naftowych, turbinach wiatrowych itp. Można byłoby go używać wszędzie tam, gdzie ktoś musi poddawać precyzyjnej obróbce duże, monolityczne elementy.
Przy włączonym VCS na frezarce portalowej dało się zauważyć znaczne zmniejszenie wartości błędów objętościowych.
