Precizie la nivelul campionilor: Precizia în spaţiu a maşinilor-unelte la prelucrarea în 5 axe

La numeroase teme de prelucrare, cea în 5 axe are avantaje economice clare în comparaţie cu prelucrarea convenţională în 3 axe. Pentru a putea utiliza potenţialul de reducere a timpilor de lucru şi a numărului de prinderi, trebuie luate în calcul mişcări de avans mult mai complexe. Chiar şi la prelucrarea pieselor mici pot apărea deplasări semnificative ale axelor de avans liniare şi rotative, în funcţie de configurarea axelor şi de modul de fixare a semifabricatului.

Deoarece abaterea între deplasarea ideală şi comportamentul real al unei axe de avans creşte proporţional cu mărimea deplasării, maşinile-unelte pentru prelucrarea în 5 axe se află în faţa unei provocări deosebite. Prelucrarea pieselor precise implică precizia mare, în spaţiu, a maşinilor-unelte. Spre deosebire de calculul preciziei axelor singulare ale unei maşini-unelte, precizia în spaţiu se calculează pe baza unor puncte de măsură, care sunt împrăştiate în tot spaţiul de lucru. Pe lângă precizia poziţiei axelor singulare se iau în calcul, în acest mod, şi implicaţiile înclinaţiilor, abaterile de la perpendicularitate şi diferite abateri ale axelor.

Înregistrarea poziţiei decide precizia poziţionării

Astfel înregistrarea poziţiei la axele de avans liniare şi de rotaţie joacă un rol decisiv. În cazul în care poziţiile axelor se înregistrează cu ajutorul semnalelor date de encoderul de rotaţie de pe motor, se calculează poziţia axei de avans luând în calcul şi raportul din cutia de transmisie şi pasul şurubului cu bile; astfel pot să apară abateri între imaginea din comanda maşinii şi cea din cinematica reală. Abaterile rezultă ca urmare a dilatării termice a şurubului cu bile şi din eroarea de transmitere a cutiei de transmisie de la axele de rotaţie, şi duc, în special la prelucrarea în 5 axe, la erori semnificative pe piesă. Metoda de înregistrare a poziţiei cu ajutorul encoderului de rotaţie de pe motorul de avans se numeşte acţionare în ,,semi-closed loop”, pentru că erorile mecanice din mecanismele de acţionare nu se pot compensa cu ajutorul regulatoarelor de circuit din acţionări.

Foto 1: Axele de avans cu rigle şi encodere unghiulare de la HEIDENHAIN, cu Closed Loop, fac posibilă prelucrarea precisă a îmbinărilor, chiar şi la schimbări mari ale poziţiei capului de frezat

Precizia de poziţionare şi repetabilitatea se pot creşte substanţial prin utilizarea riglelor şi a encoderelor unghiulare precise. Pentru că poziţia axelor nu mai este măsurată la motor ci direct la axele liniare sau de rotaţie ale maşinii, se numeşte acţionare în ,,closed-loop”. La o execuţie corespunzătoare a componentelor mecanice ale unei maşini-unelte se poate, chiar şi la condiţii de operare diferite, atinge o precizie de câţiva μm. De aici rezultă avantaje enorme pentru prelucrarea în 5 axe. La modificarea poziţiei capului de frezare se pot face deplasări exacte de compensare, fără a afecta negativ în vreun fel conturul suprafeţei de prelucrat.

O minge de fotbal ca probă pentru precizia TNC-ului

Avantajele înregistrării poziţiei cu ajutorul riglelor şi al encoderelor unghiulare sunt evidenţiate la prelucrarea piesei model Telstar. Telstar este numele primului satelit de comunicaţii civil, care a fost lansat de NASA în 1962. Mingea de fotbal numită Telstar după numele satelitului, cu care s-a jucat la campionatele mondiale FIFA din 1970 şi 1974, este executată din 20 de hexagoane albe şi 12 pentagoane negre, un model care se mai utilizează şi astăzi. Piesa model HEIDENHAIN se aseamănă cu forma clasică a mingii de fotbal Telstar. Piesa a fost prelucrată în 3 etape de prelucrare (dintr-o singură prindere), pornind de la un semifabricat strunjit: frezare în 3 axe a pentagoanelor cu trasee verticale cu capul de frezare blocat, frezarea în 3 axe a hexagoanelor cu trasee orizontale şi cu capul de frezare blocat, prelucrarea în 5 axe a îmbinărilor (cusăturilor).

Foto 2: TELSTAR, mingea de fotbal a campionatului mondial de fotbal FIFA cu o suprafaţă perfectă – frezată în 3 etape de prelucrare

Suprafaţa şi detalile perfecte demonstrează precizia maşinii

Modelul mingii Telstar, frezat fără erori, presupune că îmbinările, pentagoanele şi hexagoanele au fost frezate cu o precizie mare cu toate că timpul de frezare a depăşit 2 ore. Prin unghiul de înclinare al capului de frezat faţă de piesă, dat prin programul NC, apar deplasări liniare şi circulare mari ale axelor de avans liniare şi rotative, axe care necesită o precizie în spaţiu ridicată.

Precizia în spaţiu a unei maşini-unelte care lucrează cu sistemul de măsurare a deplasărilor cu Semi-Closed Loop poate fi limitată de erorile de transmisie din mecanisme, de efectele termice (dilatări) asupra axelor de avans. La măsurarea deplasării axelor de avans după principiul Closed Loop, erorile de transmitere din mecanismele de antrenare (mecanice, termice, etc) sunt preluate cu ajutorul riglelor, la axele liniare, şi cu ajutorul encoderelor unghiulare, la axele de rotaţie, şi pot fi compensate apoi de către comanda numerică. Axele de avans ating astfel pe toată lungimea lor o precizie a poziţiei foarte mare şi o repetabilitate optimă. Prin aceasta, zone vecine de pe piesă se pot prelucra precis chiar şi la schimbări mari ale poziţiei axei frezei şi la intervale de timp între treceri pe trasee învecinate destul de mari.

Potenţialul, referitor la precizia în spaţiu a unei maşini, este dovedit în special la canalul care materializează îmbinările (cusăturile) mingii Telstar. Cu un diametru de 25 mm şi cu o adâcime de frezare a îmbinărilor de 0,15 mm, s-ar vedea şi o abatere de ± 10 μm sau chiar mai mică în varierea lăţimii canalului îmbinărilor. Precizia care se atinge la prelucrarea cu axe de avans cu Closed Loop se vede cel mai bine la zonele de intersectare ale canalelor îmbinărilor: chiar şi la schimbări mari ale poziţiei capului de frezat pentru fiecare canal, punctul de intersectare a canalelor este atins exact, graţie preciziei encoderelor liniare şi unghiulare de la HEIDENHAIN.