La compensazione degli errori mira a risolvere un problema nel processo di lavorazione effettivo. Diverse fonti di errore interagiscono in modo complesso, riducendo la precisione della macchina utensile.
Questa riduzione della precisione diventa un collo di bottiglia che limita i miglioramenti nella qualità della lavorazione.
L'errore geometrico della macchina utensile è un fattore importante che incide sulla precisione della lavorazione.
Comprende principalmente l'errore di passo della vite nel sistema di alimentazione della macchina utensile, lo spazio di ritorno del dado e altri problemi correlati.
Se non vengono compensati in modo efficace, questi errori influiranno direttamente sulla precisione dimensionale e sulla qualità superficiale dei pezzi lavorati.
Errore termico dinamico
Oltre agli errori geometrici, non bisogna ignorare nemmeno l'errore termico dinamico causato dalla deformazione termica della macchina utensile.
Ad esempio, in condizioni di velocità del mandrino di 6,000 giri/min, profondità di taglio di 1.5 mm e velocità di avanzamento di 800 mm/min, la deformazione termica massima della parte anteriore del mandrino della fresatrice CNC può raggiungere i 30-40 μm.
La deformazione termica causerà la modifica delle dimensioni e della geometria dei componenti funzionali chiave.
Ciò determina una deviazione della posizione effettiva della punta dell'utensile da quella programmata, con conseguenti ulteriori errori di lavorazione.
Usura degli utensili
Inoltre, l'usura degli utensili durante il processo di taglio influisce sulla precisione della lavorazione. Prendiamo come esempio il tornio CNC KC9335 che tornisce l'acciaio 45.
Quando la quantità di rettifica dell'utensile raggiunge 0.2 mm, la rugosità della superficie di lavorazione Ra è compresa tra 2.5 e 3.2 μm, superando l'intervallo di precisione di livello IT7.
Progettazione del metodo di compensazione degli errori di lavorazione CNC ad alta precisione
Flusso del metodo
Per risolvere i vari tipi di errori nella lavorazione CNC ad alta precisione, viene proposto un metodo di compensazione degli errori multi-sorgente.
Questo metodo è chiamato metodo di compensazione degli errori multi-sorgente (MECM).
Il processo di implementazione del MECM si divide in tre fasi:
Il primo passo è la compensazione dell'errore geometrico della macchina utensile.
Per ottenere i dati sugli errori di movimento della macchina utensile si utilizzano strumenti di misurazione di precisione, come l'interferometro laser.
Viene quindi stabilito un modello di errore spaziale della macchina utensile.
La compensazione in tempo reale viene eseguita nel sistema CNC per eliminare l'impatto dell'errore geometrico della macchina utensile sulla precisione della lavorazione.
Il secondo passaggio è la compensazione dinamica dell'errore termico.
Per monitorare in tempo reale la deformazione termica della macchina utensile vengono utilizzate telecamere termografiche a infrarossi e sensori di temperatura.
Tutto ciò viene combinato con i parametri strutturali della macchina utensile e con il meccanismo di trasferimento del calore per stabilire un modello dinamico di errore termico.
Vengono poi applicati algoritmi di compensazione in tempo reale per ridurre gli errori di lavorazione causati dalla deformazione termica.
Il terzo passaggio è la compensazione dell'usura degli utensili.
Ciò comporta l'utilizzo del sistema di monitoraggio online dell'usura degli utensili per ottenere dati sull'usura degli utensili.
Viene selezionato il modello matematico appropriato dell'usura dell'utensile per prevedere l'impatto dell'usura dell'utensile sulla superficie lavorata.
L'usura dell'utensile viene quindi compensata correggendone la traiettoria.
Metodo chiave tecnologia realizzazione
Tecnologia di compensazione degli errori di geometria della macchina
Macchina geometrica tecnologia di compensazione degli errori è la prima parte di MECM.
Il suo scopo è quello di eliminare l'influenza degli errori geometrici sulla precisione della lavorazione, come la deviazione di posizione e la deviazione angolare degli assi della macchina.
Il processo di implementazione di questa tecnologia si divide in tre fasi.
In primo luogo, vengono utilizzati strumenti di misurazione ad alta precisione, come l'interferometro laser e il livello elettronico.
Questi strumenti vengono utilizzati per raccogliere gli errori di posizione, perpendicolarità e linearità di ciascun asse nello spazio di lavoro della macchina utensile.
Solitamente la spaziatura dei punti di campionamento della misurazione è impostata su 10-50 mm.
Ogni punto di campionamento viene misurato ripetutamente 3-5 volte e il valore medio viene considerato come valore di errore del punto.
In secondo luogo, vengono applicati i minimi quadrati, l'interpolazione spline e altri metodi matematici per adattare una superficie continua e liscia all'errore geometrico della macchina utensile.
Ciò porta alla definizione del modello di errore spaziale della macchina utensile.
Ad esempio, per una macchina utensile CNC a tre assi, il suo modello di compensazione dell'errore di posizione può essere espresso come segue
Dove: ∆P è la compensazione della posizione spaziale della punta dell'utensile; ∆x(x,y,z), ∆y(x,y,z), ∆z(x,y,z) sono le funzioni di compensazione dell'errore di posizione di x, y e z, rispettivamente, μm.
Infine, il modello di errore spaziale stabilito della macchina utensile viene incorporato nel sistema CNC.
L'errore geometrico della macchina utensile viene compensato online mediante la correzione in tempo reale del percorso dell'utensile.
L'effetto di compensazione è correlato al modello della macchina, all'algoritmo di compensazione e ad altri fattori.
In genere, può migliorare la precisione di posizionamento della macchina utensile da 2 a 5 volte. Per i letti CNC di fascia alta, la precisione di posizionamento dopo la compensazione può raggiungere 1-3 μm.
Il principio fondamentale della tecnologia di compensazione degli errori geometrici delle macchine utensili è la misurazione, la modellazione e la compensazione.
Ciò comporta l'acquisizione di dati sugli errori delle macchine utensili tramite misurazioni ad alta precisione.
Vengono quindi stabiliti modelli matematici accurati e si realizza una compensazione in tempo reale.
L'obiettivo è quello di eliminare gli errori sistematici introdotti dalla fabbricazione e dall'assemblaggio della macchina utensile stessa.
Tecnologia di compensazione dinamica degli errori termici
La tecnologia è il secondo anello fondamentale del MECM.
Il suo scopo è quello di ridurre gli errori di lavorazione causati dalla deformazione termica durante il funzionamento della macchina utensile.
L'implementazione di questa tecnologia si articola in tre fasi.
Primo passo:
Si tratta di selezionare sensori di temperatura adatti, come termocoppie, RTD, ecc. e termocamere a infrarossi.
Vengono quindi impostati punti di misurazione della temperatura in parti chiave della macchina utensile, tra cui mandrino, assi di avanzamento e tavola, per raccogliere dati in tempo reale anche sulla distribuzione della temperatura nella macchina.
Solitamente il numero di punti di misurazione della temperatura è 10-20 e la frequenza di campionamento è 1-10 Hz.
Secondo passo:
Vengono prese in considerazione le caratteristiche strutturali della macchina utensile e il meccanismo di deformazione termica.
Utilizzando la teoria del trasferimento di calore e metodi di analisi degli elementi finiti, viene stabilito un modello dinamico dell'errore termico della macchina utensile.
Ad esempio, la deformazione termica assiale ∆L del fuso può essere espressa come segue
dove: α è il coefficiente di dilatazione lineare del materiale del fuso; L0 è la lunghezza iniziale del fuso; ∆T è l'aumento medio della temperatura del fuso.
Terzo passo:
il modello di errore termico dinamico stabilito è integrato nel sistema CNC.
La traiettoria dell'utensile viene corretta dinamicamente dall'algoritmo di compensazione basato sui dati di temperatura misurati in tempo reale.
Ciò consente la compensazione online dell'errore termico.
L'effetto di compensazione è influenzato da fattori quali il tipo di macchina utensile e la precisione del modello di compensazione.
In genere, è possibile ridurre dal 60% all'80% l'errore di lavorazione causato dall'errore termico.
Il fulcro della tecnologia di compensazione dinamica degli errori termici è la misurazione, la modellazione e la compensazione della deformazione termica.
Ciò comporta la misurazione della temperatura in tempo reale per ottenere la distribuzione del campo di temperatura della macchina utensile.
Combinando i parametri strutturali della macchina utensile e le sue caratteristiche termiche, si stabilisce un modello matematico dell'errore termico dinamico.
La compensazione in tempo reale viene quindi applicata nel sistema CNC per inibire l'impatto della deformazione termica sulla precisione della lavorazione.
Tecnologia di compensazione dell'usura degli utensili
La terza tecnologia chiave di MECM è la tecnologia di compensazione dell'usura degli utensili.
Con l'obiettivo di prolungare la durata degli utensili e stabilizzare la qualità della lavorazione, questa tecnologia applica le teorie dei test di rilevamento, dell'analisi dei dati e del controllo dei processi.
Il suo scopo è quello di realizzare un sistema intelligente di monitoraggio e compensazione dell'usura degli utensili.
Primo:
Per monitorare online l'usura degli utensili viene utilizzato il metodo della fusione multisensore.
Ad esempio, il sistema di acquisizione e analisi del segnale dinamico viene utilizzato per ottenere segnali quali forza di taglio, vibrazione ed emissione acustica.
Da questi segnali vengono estratti i valori medi della forza di taglio, dell'ampiezza della vibrazione, dell'energia di emissione acustica e di altri parametri caratteristici correlati all'usura;
Il sistema di visione artificiale viene utilizzato per acquisire un'immagine dell'area di usura dell'utensile.
L'algoritmo di elaborazione delle immagini viene quindi applicato per calcolare parametri geometrici, come l'area di usura e la profondità massima di usura (VBmax).
In secondo luogo:
In base al materiale dell'utensile, alle condizioni di lavorazione per scegliere il modello di usura appropriato, come il modello esponenziale, la formula di calcolo specifica è
Nella formula:
V è l'usura dell'utensile; Lc è la lunghezza di taglio; C e k sono costanti legate al materiale dell'utensile e ai parametri di taglio.
Infine:
I dati di monitoraggio online vengono inseriti nel modello di usura per prevedere in tempo reale la durata residua dell'utensile.
Sulla base dei risultati della previsione, i parametri di taglio, come velocità di taglio e avanzamento, vengono ottimizzati riducendoli.
In alternativa, l'errore dimensionale causato dall'usura viene compensato mediante la messa a punto della traiettoria dell'utensile.
In questo modo si garantisce un'efficace compensazione dell'usura degli utensili.
Convalida del metodo
- Programma sperimentale
Per verificare l'efficacia del MECM, è stata scelta come piattaforma sperimentale la fresatrice CNC YK7330 e il materiale di lavorazione è l'acciaio n. 45.
Gli indici di valutazione includono la precisione dimensionale δ, la rugosità superficiale Ra e l'errore di rotondità ρ delle parti lavorate.
δ è stato misurato utilizzando una macchina di misura a coordinate, Ra è stato misurato con un rugosimetro Taylor Hobson e ρ è stato misurato con un rotondimetro.
L'esperimento è stato diviso in due gruppi:
Sono stati analizzati il gruppo non compensato e il gruppo compensato con MECM.
Nel gruppo compensato MECM, la compensazione dell'errore geometrico, la compensazione dell'errore termico dinamico e la compensazione dell'usura dell'utensile sono state implementate in sequenza.
L'effetto della compensazione MECM viene valutato confrontando la precisione di lavorazione dei due gruppi.
- Analisi dei risultati sperimentali
I risultati sperimentali sono riportati nella Tabella 1.
Questa tabella presenta in modo completo gli indici di precisione della lavorazione sia per i casi non compensati che per quelli compensati MECM.
I dati vengono forniti con diversi parametri di taglio.
Tabella 1 Confronto della precisione di lavorazione tra compensazione non compensata e compensazione MECM con diversi parametri di taglio.
Come mostrato nella Tabella 1, il metodo MECM migliora significativamente la precisione della lavorazione.
Dopo la compensazione MECM, la precisione dimensionale δ è migliorata, diminuendo da 18.5–25.3 μm a 5.2–7.6 μm.
Anche la rugosità superficiale Ra è migliorata, riducendosi da 1.82–2.61 μm a 0.63–0.90 μm.
Inoltre, l'errore di rotondità ρ è diminuito da 12.3–17.5 μm a 3.6–5.3 μm.
Risultati dell'ANOVA a due fattori
I risultati dell'ANOVA a due fattori sono riportati nella Tabella 2.
L'ANOVA bidirezionale ha rivelato che il metodo di compensazione ha avuto un effetto significativo sul miglioramento della precisione (F = 238.5, p < 0.001).
Anche i parametri di elaborazione hanno avuto un impatto significativo (F = 42.7, p < 0.001).
Inoltre, è stata riscontrata un'interazione significativa tra il metodo di compensazione e i parametri di elaborazione (F = 15.3, p < 0.01).
Risultati dell'analisi di regressione multivariata
I risultati dell'analisi di regressione multivariata sono riportati nella Tabella 3.
Entro l'intervallo di confidenza del 95%, gli effetti di miglioramento del MECM su δ, Ra e ρ sono stati rispettivamente del 70.6%, 65.5% e 70.2%.
È opportuno notare che l'effetto di compensazione diminuisce leggermente all'aumentare dei parametri di taglio, in particolare della velocità del mandrino e della profondità di taglio.
Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che la deformazione termica e l'usura degli utensili diventano più intense in condizioni di taglio ad alta velocità e grande profondità.
Di conseguenza, all'algoritmo di compensazione vengono poste esigenze più elevate.
Conclusione
Il MECM proposto in questo articolo ha stabilito un sistema completo di compensazione degli errori multi-sorgente.
Ciò è possibile considerando in modo completo l'errore della geometria della macchina, l'errore termico dinamico e l'usura dell'utensile in lavorazioni CNC ad alta precisione.
Grazie alla misurazione ad alta precisione e alla modellazione matematica, si ottiene una compensazione degli errori in tempo reale durante l'intero processo di lavorazione.
Ciò migliora notevolmente la precisione della lavorazione e migliora la qualità della superficie.
I risultati dei test dimostrano che il metodo può migliorare la precisione dimensionale di parti tipiche del 70.6%.
Migliora inoltre la rugosità superficiale del 65.5% e riduce l'errore di rotondità del 70.2%. Inoltre, l'effetto di compensazione è stabile e affidabile.
FAQ:
La compensazione degli errori nella lavorazione CNC si riferisce a tecniche e metodi utilizzati per correggere gli errori causati da imprecisioni geometriche, deformazione termica e usura degli utensili. Applicando correzioni in tempo reale, i produttori possono migliorare significativamente la precisione di lavorazione e la qualità superficiale.
Errori geometrici, come l'errore di passo della vite, il gioco del dado e il disallineamento degli assi, influiscono direttamente sulla precisione di lavorazione. La tecnologia di compensazione utilizza interferometri laser e modelli matematici per correggere questi errori in tempo reale, migliorando la precisione di posizionamento della macchina utensile da 2 a 5 volte.
La deformazione termica si verifica quando i componenti della macchina si espandono a causa del calore generato durante il funzionamento. Ad esempio, un mandrino che gira a 6,000 giri/min può deformarsi di 30-40 μm, causando deviazioni del percorso utensile e imprecisioni dimensionali. La compensazione dell'errore termico contribuisce a ridurre questi effetti del 60-80%.
L'usura dell'utensile aumenta la rugosità superficiale e riduce la precisione dimensionale. Ad esempio, quando l'usura dell'utensile raggiunge 0.2 mm, la rugosità può superare i livelli di tolleranza IT7. Il monitoraggio e la compensazione dell'usura dell'utensile in tempo reale garantiscono una qualità costante e ne prolungano la durata.
Il metodo di compensazione degli errori multi-sorgente (MECM) è un approccio completo che integra la compensazione degli errori geometrici, termici e dell'usura degli utensili. Fornisce una correzione degli errori in tempo reale durante l'intero processo di lavorazione, migliorando significativamente la precisione dimensionale e la finitura superficiale.
I risultati sperimentali mostrano che MECM riduce gli errori dimensionali da 18.5–25.3 μm a 5.2–7.6 μm, migliora la rugosità superficiale da 1.82–2.61 μm a 0.63–0.90 μm e diminuisce l'errore di rotondità da 12.3–17.5 μm a 3.6–5.3 μm. Ciò dimostra l'efficacia di MECM nella produzione ad alta precisione.
La compensazione degli errori geometrici impiega interferometri laser, livelli elettronici e strumenti di misura ad alta precisione. I dati raccolti vengono elaborati utilizzando metodi matematici come i minimi quadrati e l'interpolazione spline per costruire modelli di errore, integrati nei sistemi CNC per la correzione in tempo reale.
La compensazione dinamica degli errori termici prevede la misurazione della temperatura della macchina con telecamere e sensori a infrarossi, la creazione di un modello di trasferimento termico e l'applicazione di algoritmi di compensazione per regolare i percorsi utensile in tempo reale. Ciò riduce al minimo l'effetto della deformazione del mandrino e degli assi causata dal calore.
La compensazione dell'usura dell'utensile garantisce la stabilità della lavorazione prevedendone la durata e regolando parametri come velocità di taglio e avanzamento. Inoltre, ottimizza la traiettoria dell'utensile per correggere gli errori dimensionali causati dall'usura, migliorando in definitiva la finitura superficiale e riducendo i costi di produzione.
MECM è stato validato sperimentalmente, mostrando miglioramenti del 70.6% nella precisione dimensionale, del 65.5% nella rugosità superficiale e del 70.2% nell'errore di rotondità. Questi risultati ne confermano l'affidabilità e l'efficacia nel realizzare lavorazioni CNC ad alta precisione per settori come l'aerospaziale, l'automotive e la produzione di stampi.
