background image

 

P o l i t e c h n i k a   S z c z e c i ń s k a  

I n s t y t u t   T e c h n o l o g i i   M e c h a n i c z n e j  

 

 

 

 

Badanie sztywności statycznej obrabiarek 

 

 

L a b o r a t o r i u m   o b r a b i a r e k  

 

 

 

 

 

 

 

 

dr hab. inż. Grzegorz Szwengier prof. PS 

dr inż. Janusz Skrodzewicz 

dr inż. Daniel Jastrzębski 

 

 

Szczecin 2004 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

2

 

1. Wprowadzenie 

Silny i bezpośredni wpływ statycznych właściwości układu nośnego obrabiarki (UNO) na 

jej  wskaźniki  techniczno-użytkowe  (wydajność,  dokładność,  trwałość,  niezawodność) 

uzasadnia potrzebę prowadzenia – w procesie projektowo-konstrukcyjnym maszyny – analiz 

obliczeniowych  oraz  badań  doświadczalnych  tych  właściwości  [1-4].  Włączanie  owych 

działań do prac nad kreowaniem i kształtowaniem postaci UNO służy racjonalizacji, a także 

poprawie  wyników  projektowania  i  konstruowania  [1].  Świadczą  o  tym  liczne  przykłady 

powstałych  rozwiązań  konstrukcyjnych,  rezultaty  prac  badawczych,  doświadczenia 

z eksploatacji obrabiarek. 

Skupiając uwagę na problematyce doświadczalnych badań charakterystyk statycznych 

UNO, rozważanej w tle współczesnych nurtów metodologii konstruowania [1,5], badaniom 

tym można przypisać szereg celów, z których ważniejsze to: 

 kontrola odbiorcza sztywności obrabiarek produkowanych seryjnie; 

 weryfikacja prototypów ze względu na kryterium sztywności statycznej; 

 diagnostyka sztywnościowa; detekcja słabych ogniw konstrukcji UNO; 

 wspomaganie modelowania układu nośnego; identyfikacja parametrów modeli 

obliczeniowych, stosowanych w analizach wspierających proces decyzyjny przy 

projektowaniu i konstruowaniu; 

 wstępne rozpoznawanie właściwości statycznych dla określania warunków badań 

dynamiki układu obrabiarka-uchwyt-przedmiot obrabiany-narzędzie (OUPN). 

Ta  wielość  celów  wpływa  na  zróżnicowanie  realizujących  je  metod  badawczych.  Są  wśród 

nich  metody  uproszczone,  odnoszące  się  do  rutynowych  badań  o  przeznaczeniu 

przemysłowym, jak również złożone, ukierunkowane na wzbogacanie wiedzy o statycznych 

właściwościach  zespołów  obrabiarek  oraz  poznawanie  ich  związków  z  postaciami 

tworzonych  rozwiązań  konstrukcyjnych  [6-17].  Druga  grupa  metod,  obejmująca  badania 

bardziej  wyrafinowane,  zazwyczaj  o  charakterze  laboratoryjnym,  jest  często  wiązana 

z zagadnieniami  analiz  obliczeniowych  konstrukcji  (weryfikacja,  identyfikacja  modeli). 

Czynnikami  różnicującymi  metody  są  ich  koncepcje,  techniki  i  środki  sprzętowe 

eksperymentu, stopień automatyzacji pomiarów, sposób, zakres oraz głębokość przetwarzania 

rezultatów  badań.  Odmienności  metod  najwyraźniej  zaznaczają  się  w  ostatniej  grupie 

wymienionych  czynników.  O  ile  bowiem  zagadnienia  planowania  i  praktycznej  realizacji 

eksperymentów  są  -  w  większości  metod  -  w  zasadzie  opanowane  i  rozwiązywane  dość 

podobnie,  sprzęt  pomiarowy  zaś  (pomiary  przemieszczeń,  odkształceń,  sił)  -  ustawicznie 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

3

 

doskonalony  przez  wyspecjalizowanych  producentów  -  znamionuje  obecnie  wysoki  poziom 

uniwersalności,  o  tyle  problematyka  komputerowego  przetwarzania  informacji  badawczej 

(zwłaszcza  w  warstwie  software'u)  jest  –  w  przekroju  wielu  metod  –  mocno 

zindywidualizowana.  Konstatuje  się,  iż  obok  zbliżonych  podejść  do  wstępnej,  statystycznej 

obróbki  wyników  eksperymentu  (m.in.  za  pomocą  dostępnych  pakietów  profesjonalnych), 

funkcje  modułów  oprogramowania  realizującego  dalsze  etapy  przetwarzania  wyników  są 

wyraźnie  zróżnicowane,  podporządkowane  szczegółowym  celom  badań.  Następstwem  tego 

jest  potrzeba  opracowywania  specjalistycznych  programów  komputerowych  (niekiedy  także 

i konfiguracji  sprzętowych),  ściśle  wypełniających  zadania  przewidziane  algorytmami 

realizacji metod nowo powstających lub modyfikowanych. 

W  ćwiczeniu  przedstawiono  koncepcję  komputerowego  wspomagania  doświadczalnych 

badań  charakterystyk  statycznych  UNO  w  zakresie  sporządzania  bilansu  odkształceń 

i sztywności  zespołów  korpusowych  oraz  połączeń  (ruchowych  i  stałych)  układu  nośnego 

obrabiarki. Przedłożone podejście do opracowywania rezultatów eksperymentu zadość czyni 

większości, spośród wcześniej wymienionych, celów badań. 

 

2. Koncepcja badań 

Podstawą proponowanej metody są następująco sformułowane założenia: 

A.  Obiektem obserwacji i badań jest całość lub wybrane fragmenty układu nośnego 

obrabiarki, którego konstrukcję obciąża się quasi-statyczną siłą zewnętrzną, symulującą 

rzeczywisty stan obciążenia maszyny siłami skrawania. 

B.  Wielkościami mierzonymi są przemieszczenia elementów bryłowych UNO, wyznaczane 

– w kierunkach osi działania dotykowych czujników przesunięć – w wielu 

wytypowanych punktach powierzchni elementów (punkty pomiarowe).  

C.  Czujniki, zaopatrzone w końcówki kuliste, mogą bezpośrednio współpracować 

z powierzchniami elementów UNO. Przy stosowaniu końcówek o powierzchniach 

płaskich współpraca powinna odbywać się za pośrednictwem kul pomiarowych, sztywno 

związanymi z badanymi elementami (rys. 1). Niezbędne w tym celu jest odpowiednie 

oprzyrządowanie mechaniczne stanowiska badawczego (oprawki czujników, kule 

pomiarowe, wsporniki, obejmy, rusztowanie itd.).  

D.  Przemieszczenia można mierzyć w układach względnych (w odniesieniu do innych – 

ruchowych – zespołów korpusowych) bądź w układzie bezwzględnym (w stosunku do 

nieruchomego podłoża obrabiarki – rusztowania utrzymującego statywy czujników) 

(rys. 1).  

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

4

 

 

Rys. 1. Schemat ideowy stanowiska do pomiarów charakterystyk statycznych 

układu nośnego obrabiarki: a) wariant z czujnikami o końcówkach 
kulistych – pomiary w układzie bezwzględnym; b) wariant z czujnikami o 
końcówkach płaskich – pomiary w układzie względnym 

E.  Liczbę punktów pomiarowych, ich rozmieszczenie względem badanego układu, jak 

również usytuowanie osi czujników - należy planować w sposób umożliwiający 

opracowanie wyników w formie niezbędnej do ujawnienia bilansu odkształceń 

elementów i połączeń konstrukcji.  

F.  Układ obciążania UNO winien zezwalać na realizację bardzo wolnych, ciągłych zmian 

siły wymuszającej (np. dzięki zastosowaniu siłownika elektromechanicznego z 

elementem o dużej podatności), umożliwiając wywieranie obciążenia - z wielokrotnie 

powtarzanym cyklem obciążanie-odciążanie - w zadanym kierunku i w wybranym 

miejscu badanego obiektu (kierunek działania i punkt przyłożenia wypadkowej siły 

skrawania).  

G.  Konfiguracja sprzętowa torów pomiaru i rejestracji sygnałów przemieszczeń oraz siły 

powinna odpowiadać współczesnym standardom technik badawczych, zawierając 

składniki niezbędne do automatyzacji pomiarów i komputerowego opracowywania ich 

wyników (w tym: obróbka statystyczna - na bieżąco).  

Nie  rozwijając  ogólnie  znanych,  widocznych  w  tych  założeniach.  wątków  problematyki 

można  stwierdzić,  że  zasadniczym  novum  omawianej  metody  jest  sposób  przetwarzania  – 

a także interpretacji – wstępnie, statystycznie opracowanych wyników badań. Te wyjściowo 

mają  postać  zbioru  zależności  przemieszczeń  od  siły  zewnętrznej  (przedstawianych 

graficznie, tablicowo lub analitycznie) we wszystkich punktach pomiarowych. 

Deklarowany  wyżej  sposób  nawiązuje  do  idei  metody  sztywnych  elementów  skończonych 

(SES)  [18].  Jego  istota  sprowadza  się  do  przypisywania  rzeczywistych,  wyznaczonych 

w rezultacie  eksperymentu  charakterystyk  statycznych  obiektu  –  modelowemu  obrazowi 

konstrukcji UNO. Formułując ten model przyjmuje się, że elementy bryłowe układu nośnego 

(lub ich fragmenty) zastępowane są SES-ami, które aproksymują – zmienne z siłą – postacie 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

5

 

geometryczne  oraz  położenia  odkształcających  się  i  przemieszczających  elementów 

konstrukcyjnych.  Model  UNO  jest  więc  zbiorem  odpowiednio  (do  struktury  i  geometrii 

obiektu)  skonfigurowanych  i  współpracujących  ze  sobą  SES-ów,  których  względne 

przemieszczenia  wyrażają  stany  odkształceń  stykowych  oraz  własnych  badanych 

podobszarów konstrukcji. Podział UNO na SES-y odbywa się na naturalnych powierzchniach 

styków połączeń ruchowych (prowadnicowych) i stałych (śrubowych). Dokonuje się go także 

wskroś brył elementów (tzw. podział pomyślany) w przypadku stwierdzenia – na podstawie 

informacji z badań – wysokiego poziomu ich odkształceń własnych. Zarysowana tu procedura 

idealizacji  konstrukcji  prowadzi  do  dyskretnego  modelu  UNO,  cechującego  się  skończoną 

wymiarowością  i  stosunkowo  niewielką  liczbą  stopni  swobody  SES-ów  tworzących  ów 

model.  Znajomość  doświadczalnie  wyznaczonych  charakterystyk  przemieszczeń  wielu 

punktów  pomiarowych  pozwala  estymować  współrzędne  przemieszczeń  SES-ów,  którym 

punkty  te  –  w  wyniku  aproksymacji  elementów  konstrukcyjnych  –  są  przypisane.  Efektem 

tych  działań  jest  zwarty,  syntetyczny  opis  liczbowy  stanu  przemieszczeń  modelowej  wersji 

obiektu. Podstawową zaletą tego opisu jest łatwość dokonywania na nim operacji formalnych, 

niezbędnych  do  wyłonienia  informacji  o  właściwościach  statycznych  UNO.  M.in.  możliwe 

jest transformowanie przemieszczeń SES-ów do wybranych miejsc układu nośnego, w tym do 

przestrzeni  obróbki.  Tam  –  poddawane  dalszym  przekształceniom  –  służą  ujawnieniu 

odkształceń poszczególnych połączeń stykowych i elementów bryłowych. Tworzona jest baza 

danych do zestawiania bilansu sztywności składników UNO. 

Przedstawione podejście zakłada pewne odstępstwa od realiów. Wszak bezpośrednie wyniki 

pomiarów  są  odnoszone  do  modelu,  nazywanego  „doświadczalnym”,  wykazującego 

uproszczenia  wobec  rzeczywistych  właściwości  konstrukcji.  Przeprowadzone  dotychczas 

eksperymenty oraz wiedza zyskana z analiz obliczeniowych UNO wielu obrabiarek dowodzą 

jednak,  że  poziom  tych  błędów  jest  niewielki;  na  ogół  nie  przekracza  kilkunastu  procent 

wartości  oczekiwanych  estymowanych  wielkości  [3,4,9,15,19].  Można  uważać,  że  jest  to 

poziom  dopuszczalny  w  praktyce  projektowania  i  konstruowania.  Zdaniem  autorów, 

ponoszenie kosztów takiego obniżenia dokładności jest usprawiedliwione wszechstronnością 

informacji  służącej  podejmowaniu  decyzji  projektowych.  Dążąc  do  minimalizacji  błędów 

oszacowań,  należy  jednak  przestrzegać  wymogów  staranności  prowadzenia  badań,  dbałości 

o ich stronę metodyczną i techniczną, rzetelności analiz i wnikliwości ocen otrzymywanych 

wyników. 

W  Instytucie  Technologii  Mechanicznej  Politechniki  Szczecińskiej  zestawiono  efektywną 

konfigurację  sprzętową  stanowiska  do  badań  charakterystyk  statycznych  UNO 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

6

 

(oprzyrządowanie  mechaniczne,  aparatura  pomiarowo-rejestrująca,  środki  informatyki). 

Opracowano  programy  komputerowe  do  wstępnej  obróbki  wyników  eksperymentu  oraz  ich 

dalszego  przetwarzania  według  przedstawionej  koncepcji.  Należy  podkreślić,  że 

wspomaganie  badań  komputerem  odbywa  się  w  trakcie  ich  realizacji,  bezpośrednio  na 

stanowisku  pomiarowym.  Pozwala  to  śledzić  przebieg  pomiarów  oraz  na  bieżąco 

diagnozować  poprawność  planu  eksperymentu  (wyrażanego  rozmieszczeniem  punktów 

pomiarowych  i  usytuowaniem  osi  czujników),  stwarzając  możliwość  jego  modyfikacji 

i aktualizowania bez potrzeby powtarzania badań. 

 

3. Estymacja i transformowanie przemieszczeń elementów konstrukcyjnych UNO 

Model UNO, dyskretyzowany według koncepcji metody SES, składa się ze sztywnych 

elementów  skończonych,  aproksymujących  całe  zespoły  korpusowe  (podział  naturalny, 

wyznaczany przez powierzchnie styków) lub ich fragmenty (podział pomyślany, dokonywany 

wskroś  brył).  Każdy  SES  ma  6  stopni  swobody:  3  translacyjne  (przesunięcia)  oraz  tyleż 

rotacyjnych  (obroty)  .  Jeżeli  złożone  przemieszczenie  SES  odnieść  do  dowolnego  układu 

ortokartezjańskiego  Oxyz  (rys.  2),  to  jego  współrzędne  można  zgromadzić  w  następującej 

macierzy kolumnowej (wektorze): 

 

q

 = col {

ρ

, ρ

y

 

, ρ

z

 

, φ

, φ

y

 

, φ

}   

 

 

(1) 

 

gdzie:  

ρ

, ρ

y

 

, ρ

przesunięcia SES w kierunkach osi układu Oxyz [w µm], 

φ

, φ

y

 

, φ

-kąty 

małych obrotów SES wokół osi układu Oxyz w [mrad]. 

Aby wyestymować wektor q SES-u reprezentującego wybrany fragment konstrukcji, 

należy wyznaczyć charakterystyki przemieszczeń tego fragmentu w co najmniej 6 punktach 

pomiarowych.  Punkty  te  są  określane  nie  tylko  przez  swe  położenia,  ale  i  kierunki 

wyznaczanych przesunięć. Dla ustalonego poziomu siły wymuszającej wskazania czujników 

odczytane z krzywych obciążania (bądź odciążania) zestawia się w macierzy: 

 

u

d

 = col { u

d1

 , u

d2

 , ... u

dn 

} 

 

 

 

(2) 

gdzie: 

n - liczba punktów pomiarowych rozpatrywanego fragmentu UNO (n ≥ 26),  

u

d1

 , u

d2

 , ... u

dn 

- przesunięcia kolejnych punktów pomiarowych w [µm]. 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

7

 

 

Rys. 2. Współrzędne przemieszczenia sztywnego elementu skończonego (SES-u) 

aproksymującego przemieszczony i odkształcony element konstrukcyjny 
UNO (ew. jego fragment)  

Jako kryterium estymacji wektora q przyjmuje się, zgodnie z koncepcją Fishera i metody 

największej  wiarygodności,  ważoną  sumę  kwadratów  różnic  zmierzonych  (u

d

i wyznaczonych  analitycznie  (u)  –  w  wyniku  transformacji  q  do  punktów  pomiarowych  –

aprzemieszczeń  rozpatrywanego  fragmentu  konstrukcji.  Składnikom  tego  kryterium 

przypisuje  się  wagi  wyrażające  losowe  rozproszenie  wyników  eksperymentu:  odwrotności 

wariancji  w  poszczególnych  punktach  pomiarowych.  Zakładając,  że  błędy  pomiarów  we 

wszystkich punktach są jednakowe (nie muszą być z góry znane), kryterium osiąga minimum, 

gdy: 

 

q

 = ( A

-1

 A

u

d

 

 

 

 

 

(3) 

a w ślad za tym: 

 

= A q   

 

 

 

 

 

(4) 

 

przy  czym  A  (nx6)  jest  macierzą  lokalnego  –  obowiązującego  w  rozważanym  podobszarze 

konstrukcji  –  planu  eksperymentu.  Macierz  tę  tworzy  się  na  podstawie  opisu  geometrii 

stanowiska badawczego (rys. 3), określając jej elementy, jak następuje: 

A

i1

 = η 

ix

 ; A

i2

 = η 

iy

 ; A

i3

 = η 

iz

 ;  

A

i4

 = y

i

 η 

iz

 - z

i

 η 

iy

 ; A

i5

 = z

i

 η 

ix

 - x

i

 η 

iz

 ; A

i6

 = x

i

 η 

iy

 - y

i

 η 

ix

 ; 

i = 1,2, ... n 

 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

8

 

gdzie : 

η 

ix

 , η 

iy

 , η 

iz 

 - współrzędne w układzie Oxyz wersora kierunkowego osi działania i-

tego czujnika 

x

i

 , y

i

 , z

i

 – współrzędne w układzie Oxyz położenia i-tego punktu pomiarowego [mm] 

 

 

 

Rys. 3. Dane geometryczne i-tego punktu pomiarowego 

Z  zależności  (3)  wynika,  że  warunkiem  wykonalności  procedury  estymacji  jest 

nieosobliwość  macierzy  informacyjnej  Fishera  A

T

A

.  Osiąga  się  to  przez  odpowiednie 

rozplanowanie  położeń  i  kierunków  działania  końcówek  czujników,  respektując  przy  tym 

nierówność  n  ≥  6.  Oszacowanie  wspólnej,  dla  wszystkich  punktów,  wariancji  zmierzonych 

przesunięć wyraża się wzorem: 

 

1

n

)

(

)

(

d

T

d

2
u

=

σ

u

u

u

u

   

 

 

 

(6) 

 

natomiast macierz kowariancji estymowanych przemieszczeń q ma postać: 
 

1

T

2
u

)

(

)

cov(

σ

=

A

A

q

 

 

 

 

 

(7) 

 

 
Znajomość tej macierzy pozwala określić przedziały ufności elementów wektora q

 

n

,

2

,

1

i

;

)

(

cov

t

q

q

ii

i

i

^

K

=

±

=

q

 

 

 

(8) 

 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

9

 

gdzie: 

t - fraktyl rozkładu t-Studenta dla przyj

ę

tego poziomu istotno

ś

ci i statystycznej liczby 

stopni swobody modelu estymacji. 

 

Przemieszczenie q mo

ż

na transformowa

ć

 do innego - ni

ż

 wybrany do estymacji - układu 

współrz

ę

dnych, np. O

0

x

0

y

0

z

0

 (rys. 4), realizuj

ą

c t

ę

 operacj

ę

 przez zale

ż

no

ść

 

q

0

 = T V q  

 

 

 

 

 

(9) 

 

w której macierz transformacji współrz

ę

dnych T(6x6) ma posta

ć

 

T

 = diag {CC

 

 

 

(10) 

 

a macierz przenoszenia przemieszcze

ń

 V(6x6) okre

ś

la si

ę

=

I

0

v

I

V

   

 

 

 

 

 

(11) 

gdzie:  

C

 (3x3) 

- macierz kosinusów kierunkowych osi układu O

0

x

0

y

0

z

0

 

wzgl

ę

dem układu Oxyz, 

=

0

x

y

x

0

z

y

z

0

0

0

0

0

0

0

v

 

- macierz zamocowania układu O

0

x

0

y

0

z

0

, zawieraj

ą

ca 

współrz

ę

dne x

0

 , y

0

 , z

0

 (w [mm]) poło

ż

enia pocz

ą

tku O

0

I

 (3x3) 

- macierz jednostkowa, 

O

 (3x3) 

- macierz zerowa. 

 

Odkształcenia  w  "do

ś

wiadczalnym"  modelu  UNO  s

ą

  przedstawiane  jako  ró

ż

nice 

przemieszcze

ń

 współpracuj

ą

cych ze sob

ą

 SES-ów. Je

ż

eli s

ą

 to sztywne elementy sko

ń

czone 

o numerach  „r”  i  „s”  (rys.  5),  wtedy  stan  odkształcenia  poł

ą

czenia  stykowego  –  le

żą

cego 

w strefie  współpracy  SES-ów  –  lub  elementu  konstrukcyjnego  aproksymowanego  tymi  

SES-ami wyra

ż

any jest przez wektor: 

 

q

rs

 = q

r

 - q

 

 

 

(12) 

 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

10

 

gdzie: 

q

r

 (6) , q

s

 (6) - wektory przemieszcze

ń

 SES-"r" i SES-"s". 

 

Wektory  stanów  odkształce

ń

  transformuje  si

ę

  do  innych  układów  współrz

ę

dnych, 

podobnie  jak  wektory  przemieszcze

ń

  SES-ów.  Pozwala  to  np.  odnosi

ć

  odkształcenia  do 

przestrzeni roboczej obrabiarki, dokonuj

ą

c w niej ich bilansu. Jest to szczególnie przydatne 

w diagnostyce ze wzgl

ę

du na sztywno

ść

 statyczn

ą

 słabych ogniw konstrukcji. 

Aby  zobiektywizowa

ć

  oceny  poziomu  odkształce

ń

  własnych  elementów 

konstrukcyjnych,  a  tak

ż

e  ułatwi

ć

  decyzje  o  ich  podziałach  pomy

ś

lanych,  proponuje  si

ę

 

umowny wska

ź

nik nieodkształcalno

ś

ci elementu  (aproksymowanego wst

ę

pnie jednym SES-

em), definiowany nast

ę

puj

ą

co: 

 

[ ]

%

100

u

u

)

u

u

(

)

u

u

(

1

w

d

T
d

d

T

d



=

 

 

 

(13) 

 

 

 

Rys. 4. Transformacja współrz

ę

dnych przemieszczenia SES z układu 

wyj

ś

ciowego Oxyz do dowolnego układu docelowego O

0

x

0

y

0

z

0

 

Wska

ź

nik  ten  osi

ą

ga  pułap  100%  wtedy,  gdy  badany  element  UNO  nie  doznaje 

odkształce

ń

  własnych  b

ą

d

ź

  liczba  punktów  pomiarowych  jest  równa  6  (u  =  u

d

).  Z  zasady 

warto

ść

 wska

ź

nika jest ni

ż

sza i przemawia - lub. nie - za dokonaniem podziału elementu na 

podobszary,  aproksymowane  dwoma  lub  wi

ę

ksz

ą

  liczb

ą

  SES-ów.  Decyduj

ą

c  si

ę

  na  podział 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

11

 

(co  mo

ż

e  mie

ć

  miejsce  podczas  bada

ń

,  ka

ż

demu  z  wyodr

ę

bnionych  podobszarów  elementu 

nale

ż

y  przydzieli

ć

  co  najmniej  6  punktów  pomiarowych.  Wst

ę

pne rozpoznanie wła

ś

ciwo

ś

ci 

obiektu  mo

ż

e  wi

ę

c  prowadzi

ć

  do  modyfikacji  planu  eksperymentu.  Wska

ź

nik  "w"  mo

ż

na 

ponadto  wykorzystywa

ć

  jako  statystyk

ę

  do  eliminacji  anomalii  pomiarowych  (bł

ę

dów 

"grubych"). Polega to na n-krotnym powtarzaniu algorytmu estymacji przemieszcze

ń

 danego 

SES-u,  z  usuwan

ą

  ka

ż

dorazowo  grup

ą

  wielko

ś

ci  dotycz

ą

cych  jednego,  kolejno 

rozpatrywanego punktu pomiarowego. Hipoteza o istnieniu anomalii pomiarowej potwierdza 

si

ę

  wtedy,  gdy  usuni

ę

cie  okre

ś

lonego  punktu  (wykre

ś

lenie  wskazania  czujnika  z  u

d

  i  opisu 

jego usytuowania z A) przynosi wydatny wzrost "w" w porównaniu z warto

ś

ciami wska

ź

nika, 

wykazywanymi przy braku innych punktów. 

 

 

Rys. 5. Wyznaczanie odkształce

ń

 własnych lub stykowych w UNO 

 

Przedstawione  zale

ż

no

ś

ci  przyj

ę

to  za  podstaw

ę

  opracowania  programu  pod  nazw

ą

 

MACIERZ  (na  mikrokomputer  DTC-8  -  w  j

ę

zyku  Assembler  Z80)  do  wspomagania  bada

ń

 

charakterystyk  statycznych  UNO.  Program  ten  korzysta  z  wyników  nie  omawianego  tutaj 

programu STATYSTYKA, dokonuj

ą

cego wst

ę

pnej obróbki rezultatów pomiaru. 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

12

 

4. Przykład bada

ń

 podukładu no

ś

nego stół-sanie stołu frezarki 

 

Ilustracj

ą

  omówionej  metody  jest  przykład  bada

ń

  charakterystyk  statycznych 

podukładu  no

ś

nego  stół-sanie  stołu  frezarki  wspornikowej  typu  FYD-32.  Podukład  zawiera 

ś

lizgowe  poł

ą

czenie  prowadnicowe  typu  "jaskółczy  ogon".  Rys.  6  uwidacznia,  na  tle 

uproszczonego  szkicu  badanej  konstrukcji,  schemat  rozmieszczenia  dotykowych  czujników 

przesuni

ęć

  o  płaskich  ko

ń

cówkach,  współpracuj

ą

cych  z  kulami  pomiarowymi.  Oprawki 

czujników  zwi

ą

zane  s

ą

  z  saniami,  natomiast  kule  –  ze  stołem  frezarki.  Pomiary 

przemieszcze

ń

  dokonywane  s

ą

  wi

ę

c  w  układzie  wzgl

ę

dnym.  Plan  eksperymentu  jest 

okre

ś

lony  przez  poło

ż

enia  15  punktów  pomiarowych  w  miejscach  współpracy  par  czujnik-

kula,  a  tak

ż

e  kierunki  mierzonych  przesuni

ęć

,  zgodne  z  osiami  działania  czujników. 

Geometri

ę

  stanowiska  pomiarowego  opisuje  si

ę

  wzgl

ę

dem  zaznaczonego  na  rys.  6 

ortokartezja

ń

skiego układu współrz

ę

dnych 0xyz. Przykładowe dane te ujmuje tablica 1. 

 

Tablica 1 

Przykładowe dane geometryczne stanowiska do pomiarów charakterystyk statycznych 
podukładu no

ś

nego stół-sanie stołu frezarki 

Współrz

ę

dne w [mm] 

ś

rodka kuli pomiar.  Współrz

ę

dne wersora osi czujnika 

Punkt 
pomiarowy 

η

x

 

η

y

  η

z

 

0  0 

1  0 

35 

427 

37.2 

0  -1 

-1 

0  0 

352.9 

23.9 

-27.5 

0  -1 

-1 

0  0 

353.3 

427 

-30.2 

0  -1 

354.2 

825.5 

-35.4 

0  -1 

-1 

0  0 

10 

353 

1233 

-27.4 

0  -1 

11 

0  0 

12 

0  -1 

13 

33.6 

1233 

36.4 

-1  0 

14 

0  0 

15 

33.6 

825.5 

38.8 

0  -1 

 

Na  podukład  działa  quasi-statyczna  siła  zewn

ę

trzna,  symuluj

ą

ca  obci

ąż

enie  sił

ą

 

skrawania  przy  wytypowanych  parametrach  obróbki  frezem  walcowym  o 

ś

rednicy  63  mm. 

Realizuje  to  siłownik  elektromechaniczny,  zaopatrzony  w  podatny  kabł

ą

k,  zamocowany 

w głowicy  frezarki.  Siła  przyło

ż

ona  jest  w  punkcie  o  współrz

ę

dnych:  x=157;  y=640; 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

13

 

z=163mm.  Działa  ona  na  stół  frezarki,  za  po

ś

rednictwem  podzespołu  kostka  

oporowa-obrotnica,  w  kierunku  odpowiadaj

ą

cym  nast

ę

puj

ą

cym  składowym  siły:  P

x

  =0.49P; 

P

y

  =0.849P;  P

z

  =0.199P  (gdzie:  P  –  warto

ść

  siły  wypadkowej  w  [daN]).  Z  punktem 

przyło

ż

enia siły zwi

ą

zany jest – pokazany na rys. 6 – układ współrz

ę

dnych O

p

x

p

y

p

z

p

 osiach 

przesuni

ę

tych  równolegle  wzgl

ę

dem  układu  Oxyz.  W  torach  pomiaru  przemieszcze

ń

 

stosowane  s

ą

  indukcyjne,  dotykowe  czujniki  przesuni

ęć

.  Tor  pomiaru  siły  zawiera  czujniki 

tensometryczne,  naklejone  na  kabł

ą

ku  siłownika.  W  konfiguracji  tych  torów  przewa

ż

aparatura  firmy  Hottinger,  wzbogacona  o  system  mikrokomputerowy,  słu

żą

cy  do 

automatyzacji pomiarów oraz opracowywania ich wyników. 

 

 

Rys. 6. Stanowisko do pomiarów charakterystyk statycznych podukładu no

ś

nego 

stół-sanie stołu frezarki 

Badania  przeprowadza  si

ę

  przy 

ś

rodkowym  poło

ż

eniu  stołu  frezarki,  obci

ąż

aj

ą

podukład sił

ą

 zmieniaj

ą

c

ą

 si

ę

 od P

min

 = 30 daN (obci

ąż

enie wst

ę

pne) do P

max

 = 930 daN. Cykl 

obci

ąż

anie-odci

ąż

anie  powtarza  si

ę

  –  wraz  z  pomiarami  –  6-krotnie.  Pierwotne  wyniki 

pomiaru, opracowywane s

ą

 na bie

żą

co za pomoc

ą

 programu STATYSTYKA, rejestruje si

ę

 na 

16 poziomach warto

ś

ci siły, równomiernie rozło

ż

onych w przedziale jej zmian. Po wst

ę

pnej 

obróbce wyniki te s

ą

 przetworzone programem MACIERZ. 

Rys.  7  uwidacznia  (wyprowadzone  na  drukark

ę

)  wykresy  zale

ż

no

ś

ci  współrz

ę

dnych 

translacyjnych  i  rotacyjnych  przemieszczenia  stołu  frezarki  od  wymuszaj

ą

cej  go  siły. 

Współrz

ę

dne te s

ą

 odniesione do pocz

ą

tku oraz osi układu Oxyz (rys. 6). Stół jest w cało

ś

ci 

aproksymowany  jednym  sztywnym  elementem  sko

ń

czonym.  Rys.  7  pokazuje  ponadto 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

14

 

wykresy  zmian  –  w  zale

ż

no

ś

ci  od  obci

ąż

enia  –  przesuni

ę

cia  punktu  przyło

ż

enia  siły 

w kierunku jej działania, a tak

ż

e wska

ź

nika nieodkształcalno

ś

ci stołu (por.zal.13). Tablica 2 

przedstawia 

przykładowy 

wydruk 

rezultatów 

estymacji 

przemieszcze

ń

 

SES-u 

aproksymuj

ą

cego  stół:  w  wyj

ś

ciowym  układzie  Oxyz  i  w  układzie  zwi

ą

zanym  z  punktem 

działania  siły  O

p

x

p

y

p

z

p

.  Zamieszczone  s

ą

  te

ż

  warto

ś

ci  wska

ź

nika  nieodkształcalno

ś

ci 

(71.26%)  i  przesuni

ę

cia  punktu  przyło

ż

enia  siły  (56.63µm).  Wyniki  te  odpowiadaj

ą

  sile  

P = 930daN. 

Tablica 2 

Wyniki estymacji przemieszcze

ń

 wzgl

ę

dnych (w odniesieniu do sa

ń

 stołu) SES-u 

aproksymuj

ą

cego brył

ę

 stołu frezarki 

Obliczanie układu rowna

ń

 

LICZBA CZUJNIKÓW 15 

LICZBA CYKLI 6 

37.2 

-427 

=  63.57 

43.02 

-37.2 

35 

=  58.83 

68.39 

-1 

-427 

35 

=  -63.81 

-67.27 

-1 

27.5 

23.9 

=  24.85 

-8.667 

-1 

-23.9 

352.9 

=  11.89 

13.56 

-1 

30.2 

427 

=  -56.49 

-23.46 

-1 

-427 

353.3 

=  35 

25.14 

-1 

-825.4 

354.2 

=  26.14 

36.73 

-1 

27.4 

1233 

=  -54.36 

-55.4 

10 

-1 

-1233 

353 

=  50.34 

47.97 

11 

36.4 

-1233 

=  61.4 

73.92 

12 

-1 

-1233 

33.6 

=  -37.35 

-44.76 

13 

-1 

36.4 

-33.6 

=  -78 

-68.43 

14 

38.8 

-825.5 

=  52.38 

58.88 

15 

-1 

-825.5 

33.6 

=  -67.21 

-56.35 

 

15.73  68.69  89.57  -28.43  0.2903 -38.63   

 

71.26 % 

-66 

69.04  0.1523 -28.43  0.2903 -38.63   

 

58.63 

K

Ą

TY aX = 60 

bX = 78.5 

KIERUNEK SIŁY W UKŁADZIE TRANSFORM. 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

15

 

 

Transl X 

A

MAX

=-66.52 

P

MAX

=930 

dA=62.5 

dP=120 

P

pocz

=30

 

Transl Y 

A

MAX

=79.57 

P

MAX

=570 

dA=62.5 

dP=120 

P

pocz

=30

 

Rot X 

A

MAX

=-39.84 

P

MAX

=630 

dA=30.52 

dP=120 

P

pocz

=30

 

 

Rot Y 

A

MAX

=0.2925 

P

MAX

=930 

dA0.2441 

dP=120 

P

pocz

=30

 

 

Transl Z 

A

MAX

=0.1533 

P

MAX

=930 

dA=0.125 

dP=120 

P

pocz

=30

 

Transl Sil 

A

MAX

=57.84 

P

MAX

=750 

dA=31.25 

dP=120 

P

pocz

=30

 

Rot Z 

A

MAX

=55.22 

P

MAX

=210 

dA=30.52 

dP=120 

P

pocz

=30

 

 

Deform 

A

MAX

=71.29 

P

MAX

=930 

dA=32 

dP=120 

P

pocz

=30

 

 

 

Rys. 7. Przykładowe wykresy translacyjnych obj

ę

to

ść

 rotacyjnych współrz

ę

dnych 

przemieszczenia stołu frezarki (odniesionego do jej sa

ń

) obj

ę

to

ść

 funkcji 

quasi-statycznej siły wymuszaj

ą

cej: a) o

ś

 Ox, b)o

ś

 Oy, c) o

ś

 Oz, obj

ę

to

ść

 

tak

ż

e wykresy (d) przesuni

ę

cia punktu przyło

ż

enia siły (rzutowanego na 

jej kierunek) oraz wska

ź

nika nieodkształcalno

ś

ci bryły stołu.  

 

Nie  przedstawia  si

ę

  tu  bada

ń

  pozostałej  cz

ęś

ci  układu  no

ś

nego  frezarki,  których 

wyniki  –  zestawione  z  wy

ż

ej  pokazanymi  –  pozwalaj

ą

  na  bilansowanie  odkształce

ń

 

i sztywno

ś

ci  całej  konstrukcji,  daj

ą

c  podstawy  do  diagnostyki  jej  słabych  ogniw.  Takie 

mo

ż

liwo

ś

ci stwarza opracowana metoda i wspomagaj

ą

ce j

ą

 oprogramowanie. 

5. Posumowanie 

W  zako

ń

czeniu  mo

ż

na  wyrazi

ć

  pogl

ą

d, 

ż

e  omówiona  metoda  spełnia  postulat 

efektywno

ś

ci,  zarówno  w  zastosowaniach  przemysłowych,  jak  i  w  pracach  studialnych, 

towarzysz

ą

cych procesowi projektowo-konstrukcyjnemu.  

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

16

 

 

Literatura

 

[1] Wrotny L.T.: 

Projektowanie obrabiarek. Zagadnienia ogólne i przykłady obliczeń

Wyd. 

III. WNT, Warszawa 1986 

[2] 

Detali i mechanizmy metallorezuśćich stankov. Tom 1. 

Praca zbiorowa pod red. D.N. 

Re

ś

etova. Ma

ś

inostrojenie, Moskva 1972 

[3] Levina Z.M., Re

ś

etov D.N.: 

Kontaktnaja źestkost' masin. 

Ma

ś

inostrojenie, Moskva 1971 

[4] Szwengier G.: 

Modelling and Calculation of Contact Design Elements of Machines and 

Mechanisms (in Russian). 

Proc. of 8-th World Congress on the Theory of Machines and 

Mechanisms, Prague 1991, Czechoslovakia, vol.2, s.387-390 

[5] Pahl G., Beitz W.: 

Nauka konstruowania. 

Wyd. polskie. WNT, Warszawa 1984 

[6] 

Avtomatizirovannyj kompleks KIMA-01 dla ispytanij i is-sledovanij stankov s CPU. 

Stanki i instrument, 1987, nr 3 s.7-9 

[7] Blinov V.B., Evstigneev V.N., Gringlaz A.V.: Eksperlmentalnyje lssledovanija 

statileskich i dinamifeskich cha-rakterlstik mnogocelerogo stanka.  Stanki i instrument, 

1986, nr 12, s.5-8 

[8] Fiks-Margolin G.B.: Ocenka kakestva stankov po charakteristikam Sestkosti. FAN, 

Taskent 1978 

[9] Iglantowicz T., Lisewski W., Szwengier G.: Badania porównawcze jako

ś

ci poł

ą

cze

ń

 

prowadnicowych zespołu SSW frezarek.  Prace Naukowe Politechniki Szczeci

ń

skiej nr 

96, Szczecin 1978, s.129-141 

[10] Koch J. i inni: Obliczanie i badanie korpusów obrabiarek. Prace Naukowe ITBM 

Politechniki Wrocławskiej nr 28, seria Monografie, nr 4, Wrocław 1984 

[11] Olszak W., Sobkowiak E., Szwengier G.: Avtomatiteskoje izmerenie i obrabotka 

rezultator pri issledovaniach staticeskich charakteristik masin. Mat. Konf. 

„Avtomatizacija-76”, Bułgaria, Albena 1976, z.4, s.104-109 

[12] Skrodzewicz J., Dziewiałtowski W.: Elektroniczny układ pomiaru i rejestracji 

charakterystyk statycznych obiektów.  Prace Naukowe Politechniki  Szczeci

ń

skiej  nr  

2, Szczecin 1973, s.331-333 

[13] Sobkowiak E., Szwengier G.: Badania sztywno

ś

ci statycznej frezarek. Mat. Konf. nt. 

"Kierunki rozwoju obrabiarek frezuj

ą

cych w Polsce". JAFO, Jarocin 1977, s.77-88 

[14] Szwengier G.: Badanie charakterystyk statycznych zespołu SSW frezarki. Prace 

Naukowe IBM Politechniki Szczeci

ń

skiej nr 2, Szczecin 1973, s. 336-340 

[15] Szwengier G.: Metodyka statycznych bada

ń

 poł

ą

cze

ń

 prowadnicowych zespołu typu 

background image

Badanie sztywności statycznej obrabiarek   

 

 

 

 

 

17

 

stół-sanie-wspornik frezarki. Praca doktorska. Szczecin 1976 (maszynopis) 

[16] 

Ś

niechowski R. i inni: Opracowanie l budowa stanowiska do bada

ń

 kontrolnych 

sztywno

ś

ci statycznej l dynamicznej obrabiarek.  Etap I:  Opracowanie koncepcji 

stanowiska, dobór torów pomiarowych i aparatury. Sprawozdanie z pracy n-b, 

wykonanej przez Instytut Obróbki Skrawaniem dla CPBR 6.1., Kraków 1988 

[17] Weck M., Eckstein R.: An Examination Techniques to De-termine Static Weakpoints of 

Machine Tools.  Annals of the CIRP, 1987, vol. 36, nr l, s.257-261 

[18] Kruszewski J. i in.: Metoda sztywnych elementów sko

ń

czonych. Arkady, Warszawa 

1975 

[19] Szwengier G., Berczy

ń

ski S., Godu

ń

ski T.; Identyfikacja parametrów fizycznych 

poł

ą

cze

ń

 prowadnicowych obrabiarek. Post

ę

py Technologii Maszyn i Urz

ą

dze

ń

, 1988, 

z. 2, s.3-22