Vysoká geometrická a rozměrová přesnost, která se od obráběcího stroje vyžaduje, a její spolehlivé udržování, patří k nejdůležitějším parametrům moderních strojů. Úroveň přesnosti, požadovaná současnou strojírenskou výrobou, již dosahuje takové úrovně, že nezbývá, než se zabývat vlivy, které v minulosti nebyly úplně podstatné. Teplotní a silové deformace nosných částí stroje, zatížení stroje řeznými silami, stabilita jeho základů a řada dalších vlivů, které přesnost ovlivňují, se však průběžně a často nepředvídatelně mění a je nutné na tyto změny odpovídajícím způsobem reagovat.
Donedávna běžný postup, jak zajistit požadovanou přesnost náročného obrobku, byl podmíněn jeho kontrolou na souřadnicovém měřicím stroji (CMM). Ta následovala po obráběcích operacích a v případě nutnosti jeho opětovným ustavením na obráběcí stroj a provedením opravné operace. Nyní, kdy rostou možnosti víceprofesních strojů a zvyšuje se tlak na snižování průběžné doby výroby, stává se mezioperační přesouvání dílce ze stroje na souřadnicový měřicí stroj nežádoucím. Proto se základní i aplikovaný výzkum začal zabývat myšlenkou vybavit obráběcí stroje nezávislými, silově nezatíženými a tepelně nezávislými odměřovacími systémy nebo dokonce možností „přepínat“ stroj z režimu obrábění do režimu měření a tak provádět na dílci operace plnohodnotného souřadnicového měřicího stroje.
Do realizační fáze byl tento záměr doveden v rámci projektu FR-T14/243 „Inprocesní měření“, na jehož řešení se podílely Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) při ČVUT Praha, společnost TOS Varnsdorf a za spolupráce subjektů, vyvíjejících řídicí i metrologické systémy (MEFI a NEXT METROLOGY SOFTWARE).
AKTUÁLNÍ STAV PROBLEMATIKY
Přesouvání obrobku z obráběcího stroje na souřadnicový měřicí stroj (CMM) vnáší do výrobního procesu chyby, je časově i nákladově náročné a vyžaduje navíc práci technologa na zhotovení korekčního programu. Pokrok představuje již vybavení obráběcího stroje dotykovou nebo skenovací sondou; jejich nedostatkem je však omezené využití získaných informací v řídicím systému stroje a nemožnost jejich promítnutí do CAM modelu obrobku. V poslední době se již objevují nadstavby řídicích systémů, schopné se sondami komunikovat a provést měření ve zjednodušeném metrologickém softwaru (Renishaw). Jejich zásadním nedostatkem však je, že neberou, zejména u velkých strojů, ohled na aktuální deformace stroje, způsobené uvedenými vlivy. Další metodou je využití laser-trackeru, který opticky měří polohu koutového odrážeče, umístěného na povrchu měřeného dílce. Je-li odrážeč posouván po povrchu dílce, představují naměřené hodnoty analogii k hodnotám, naměřeným na souřadnicovém měřicím stroji dotykovou sondou. Nevýhodou je velká časová náročnost a nemožnost opakovaně proměřit vždy stejné body na opracovaném dílci. Tento postup sice lze automatizovat, ale příprava měřicí trajektorie je komplikovaná a časově náročná.
Nový systém inprocesního měření spojuje výhody současných řešení
|
SYSTÉM INPROCESNÍHO MĚŘENÍ
Nový systém inprocesního měření spojuje výhody současných řešení do jednoho celku (obr. 1) a dovoluje na jednom obráběcím stroji pracovat jak v režimu obrábění, tak v režimu měření. Využívá propojení řídicího systému MEFI CNC872 obráběcího stroje z produkce TOS Varnsdorf s metrologickým softwarem Touch-DMIS pro řízení stroje v režimu měření. Propojení je vytvořeno pomocí I++ serveru, který zajišťuje vzájemnou komunikaci s metrologickým softwarem a je implementován do řídicího systému stroje. 
Vzájemná komunikace probíhá asynchronně a vlastní pohyb stroje je stále řízen standardním řídicím systémem se všemi bezpečnostními funkcemi. Uživatel v režimu souřadnicového měřicího stroje ovládá stroj z prostředí metrologického softwaru pro CMM, který je spuštěn nad řídicím systémem stroje jako samostatná aplikace. Metrologický software zasílá řídicímu systému stroje povely pro měření dotykovou sondou a řídicí systém tyto povely odbaví a převede na dílčí NC programy, které jsou rovněž odbaveny ihned a získaná data odeslána zpět do metrologického softwaru.
Hlavní výhodou tohoto řešení je univerzálnost, dovolující využít prakticky jakýkoliv vhodný metrologický software různých výrobců, který je kompatibilní s I++, a především možnost přímého propojení s řídicím systémem stroje (obr. 1), což umožňuje stanovení a zavedení korekce stroje nad vybraným geometrickým objektem ihned po jeho změření. Výsledkem je obrobení zadaného tvaru s eliminací chyby geometrie stroje – tedy s podstatně vyšší přesností. 
Pro správnou funkci v režimu souřadnicového měřicího stroje bylo nutno jej vybavit potřebnými dotykovými sondami, které spolu s metrologickým softwarem slouží pro kontrolu obrobku. Dotykové sondy byly propojeny přímo s řídicím systémem stroje. Pro zajištění dostatečné přesnosti obráběcího stroje v režimu CMM – která musí být vyšší, než přesnost stroje v režimu obrábění – bylo nutno jej dále vybavit přídavnými odměřovacími systémy, sledujícími přesnou polohu i změnu geometrie nosné struktury (obr. 2, 3).
V konkrétním případě navržený přídavný odměřovací systém tvoří nezávislý lineární optický trekovací systém pro měření polohy zadní části vřeteníku vůči základu stroje spolu s optickým odměřováním deformace smykadla vůči vřeteníku (obr. 4). Alternativně se pro toto měření využívá také komerčně dostupný laser-tracker. Nově vyvinutý inprocesní způsob měření zachovává i možnost vytisknout protokol o dosažených výsledcích.
TESTOVÁNÍ A VERIFIKACE
Provedené testování a verifikace navrženého systému pomocí obrábění vzorových kusů prokázalo funkčnost systému; chyby naměřené na stroji s aktivovaným inprocesním měřením a zachybovanou geometrií se při obrábění rovinné plochy snížily řádově o 80 procent (ze 100 μm na 21 μm).
UPLATNĚNÍ
Problematika inprocesního měření je nadále řešena v rámci prací, obsažených v pracovním balíčku WP 09 Nové systémy měření a řízení pro zvýšení přesnosti a spolehlivosti. Je součástí v současnosti největšího a nejvýznamnějšího grantového projektu na podporu aplikovaného výzkumu Centrum kompetence – Strojírenská výrobní technika. Na řešení se podíleli rozhodující měrou členové konsorcia projektu, ČVUT v Praze a TOS Varnsdorf. Prvními stroji, na kterých jsou uplatněny poznatky z řešení této problematiky, byly prototypy MK-1 (dvoustroj WRD150 duo) a MK-2 z produkce TOS Varnsdorf. Z konstrukce prototypu MK-2 byla odvozena komerční varianta, stroj GRATA, která již slouží u zahraničního zákazníka.
Obecně lze získané poznatky využít u obráběcích strojů s velkými pojezdy v osách a všude tam, kde je třeba eliminovat silové a teplotní deformace nosné struktury. Své uplatnění naleznou u strojů se zvýšenými nároky na trvalou přesnost a v případech, kdy je zapotřebí svázat a kompenzovat pohyby více strojů, pracujících na jednom rozměrném obrobku, což je možno použít pro výrazné snížení času operace. Přínosem je zvýšení přesnosti statického polohování a dráhového řízení, významné zvýšení přesnosti geometrických a rozměrových parametrů obrobku, vyloučení deformací a chyb stroje, způsobených teplotním i silovým zatížením a především, snížení průběžného času a nákladů výroby na obrobek v důsledku eliminací dosud nutných mezioperačních kontrolních operací, prováděných mimo obráběcí stroj.
Ing. Petr Borovan