7 Zvyšování pracovní přesnosti u CNC OS
Na pojem zvyšování pracovní přesnosti stroje lze pohlížet jako na proces, který se týká především výrobce zařízení. V širším pojetí v sobě zahrnuje sadu opatření, ty se mimo výrobce stroje týkají i tvůrců nástrojů, uživatelů. Na zvyšování pracovní přesnosti stroje lze tedy nahlížet jako na problém (výzvu, úkol), který řeší tvůrce nového stroje a uživatel, ať už na úrovni zvyšování přesnosti vyrobených dílců, popř. jako na problém diagnostický (hledání a odstraňování závad, snižování vývinu nežádoucího tepla a další). V tomto díle našeho seriálu se věnujeme pracovní přesnosti více z konstrukční než elektronické stránky (kompenzační), tepelným deformacím a jejich vlivům byl věnován samostatný text. V našich končinách je nejběžnějším standardem pro stanovení přesnosti obráběcího stroje norma ČSN ISO 230 a další souvislosti. V této řadě je ukryto měření geometrické přesnosti strojů (pracujících bez zatížení nebo za dokončovacích podmínek obrábění, ČSN ISO 230-1), norma ČSN ISO 230-2 stanovuje standardy ve stanovení přesnosti a opakovatelnosti polohy v číslicově řízených osách. Další v řadě se věnuje určení (měření) teplotních vlivů a stanovení přesnosti kruhové interpolace (ČSN ISO 230-2 a ČSN ISO 230-4). Norma, která spíše souvisí s komfortem obsluhy, ergonomií obsluhy a ochranou zdraví při práci než s pracovní přesností, je ČSN ISO 230-5. Volumetrickou přesností obráběcích strojů se v podstatě zabývá norma ČSN ISO 230-6.
V předchozích dílech tohoto popularizačního seriálu o vybraných oblastech oboru obráběcích strojů jsme se volumetrické přesnosti věnovali na úrovni měření, měřicích zařízení a kompenzací (toho co je již vyrobeno), než z pozice jak ji i bez kompenzací učinit co nejlepší. Normy řady ISO 230 se dále zabývají například přesností a měřením rotačních os (vřeten), ČSN ISO 230-7, vibracemi (ISO 230-8), nepřesnostmi měření (ISO 230-9), měřeními (obrobků) na samotných obráběcích strojíc (ISO 230-10) atd. (Poznámka: Tato skupina norem se neustále vyvíjí, rozrůstá, poslední normy této řady jsou ještě ve „vývoji“. Z uvedeného výčtu norem je vidět, že pracovní přesností, přímo/ /nepřímo, se zabývá jen část z nich, a to se navíc věnují strojům, nikoli reálným výrobním procesům. Konstrukční opatření, technická řešení normy neobsahují ani nenabízejí, ani v principu nemohou; což je pro pokrok v oblasti obráběcích strojů jen dobře.) Pracovní přesnost numericky řízeného stroje je ovlivněna jeho typem (technologickou operací, kterou primárně či doplňkově provádí) a pracovním rozsahem (velikostí pracovního prostoru). Tyto dva parametry přímo souvisí s konstrukčním uspořádáním nosné stavby a jejími rozměry. Co se týká nosné stavby, dá se odvodit, že konstrukční uspořádání pohybových os má vliv na výsledné přesnosti. Tak například dvě translační na sebe kolmé pohyby lze nahradit dvojici rotačních pohybů, přičemž osy jsou rovnoběžné. Rozměry kružnic unášené a unášecí pak definují pracovní rozsah. Prakticky se však rotační osy hůře odměřují, řídí, vyrábí, vylepšení přesnosti změnou ustavení při finalizaci montáže je horší než u translačních os, pak lze očekávat při tomto uspořádání pohybových os horší dosažené výsledky. Dalším aspektem je např. situace, kdy veškeré translační pohyby může realizovat nástroj (v principu i obrobek) nebo se o pohyby v závislosti na zvolené koncepci nástroj s obrobkem dělí v poměru 1 : 2 či 2 : 1. Gravitační působení Země ve spojení s proměnlivou tuhostí nosné stavby (u klasických uspořádání ohyb a natočení) mají ty nejnepříjemnější vlivy na geometrickou přesnost. Pak podle toho, zda se jedná o stroj typu horní gantry nebo desková horizontka se musí tvůrci s těmito vlivy vypořádat. Rotační osy situaci činí ještě složitější.
Příkladem dosažení co možná nejvyšších přesností vlivem vhodného uspořádání pohybových os jsou jemně vyvrtávací stroje, u nichž nelze hovořit o zásadních deformacích nosné struktury vyvolaných působením řezných si. U těchto strojů se obrobek pohybuje do řezu a nástroj vykonává rotační pohyb, čímž se právě eliminují vlivy nepřesnosti geometrického ustavení pohybových os. S výrobní přesností spjatá geometrická přesnost je založena na přesné a pečlivé výrobě jednotlivých dílců. U malých strojů, kde změna geometrie rámů vlivem gravitačního zatížení nemá běžnými prostředky měřitelný význam, ani za provozu stroje se nestává podstatnou, je potřeba jednoznačně definované výrobní a geometrické přesnosti rámu stroje neoddiskutovatelná. Rámy strojů, jejichž deformace vlivem gravitací způsobených deformací strojů jsou pro jejich provoz podstatné, se vyrábějí záměrně s geometrickými odchylkami, které právě gravitace (zatížení) ve smontovaném stavu eliminuje. Takto se vyrábí například dlouhé příčníky a stojany, přičemž potřebná odchylka od ideální přímosti (průhyb) se dosahuje softwarově (programováním) nebo mechanickou deformací vyráběného dílce (obr. 1). Častým způsobem zvyšování pracovní přesnosti stroje je vnesení záměrné geometrické odchylky (sklonu 
pohybových os atd.) při finalizaci – montáži obráběcího stroje (obr. 2), které vychází ze zkušenosti s chováním stroje za provozu. Což znamená například – pohybové osy se neustavují dokonale kolmé, ale i v tomto případě právě gravitační síly, řezné síly či tepelné deformace způsobí, že se břit nástroje (osa nástroje) ustaví do příznivé polohy. Docílit toto kvalitně v celém pracovním rozsahu na dvou či tříosých strojích je prakticky nemožné a jedná se vždy o kompromisní řešení. Pracovní nepřesnosti vlivem nízké statické i dynamické tuhosti nelze nikterak ovlivnit, než zvyšováním tuhosti a dobrým tlumením. Pořád platí zákonitosti mechaniky těles, kdy tuhost je z části závislá na použitém konstrukčním materiálu (jeho modulu pružnosti) a průlezem (v případě ohybu vzdálenosti krajního vlákna od osy ohybu atd.). Pokud nechceme zvětšovat rozměry nosných rámu strojů, musíme zmenšovat hmotnost nosných částí (minimalizace podstatných gravitačních deformací), anebo zvyšovat modul pružnosti nosných částí (má i pozitivní vliv na tuhost při obrábění řezné síly). První z uvedených cest vede k jednomu z vývojových směrů ve stavbě obráběcích strojů – paralelním kinematickým strukturám. Druhá cesta je hledáním vysokopevnostních (nekonvenčních) materiálů s vysokým modulem pružnosti s nízkou měrnou hmotností nebo zachování stávajících tuhostí při významném snížení měrné hmotnosti. Ani jeden z případů v současnosti není plošně spjat s výrazným zvýšením hodnoty stroje pro zákazníka, při zachování cenové hladiny, proto povětšinou zůstávají tyto cesty v akademické oblasti. Vhodné konstrukční řešení rámů (provedení, tuhosti), jsou základní pro zvýšení pracovní přesnosti při působení tíhových sil, řezných sil, a popř. hnacích (rozběhových) sil, setrvačných účinků. I když poslední jmenované lze ovlivňovat řízením. Pasivní odpory, jako jeden z dalších nepříznivých činitelů, dokáže eliminovat například hydrostatické uložení pohybových os. Zvyšování přesnosti na výrobních zařízeních, které jsou již delší dobu v provozu a nazýváme je konvenční obráběcí stroje, lze řešit uživatelsky zajímavým, a přitom komfortním způsobem. Praktické realizace jsou toho důkazem. Uživatelé vybavují konvenční stroje digitálními odměřovacími zařízeními především v translačních osách. Pokud je to fyzicky možné, tak takový zásah rea lizují i bez toho, aby stroj byl rozebrán a byla na něm provedena příprava dosedacích ploch pro lineární pravítka apod. Na trhu je řada cenově i kvalitativně alternativních výrobců k pomyslnému etalonu (firmě Heidenhain), kteří nabízejí jak samotné měřidla, tak vyhodnocovací i zobrazovací (neprogramovatelné) jednotky. V případě, že navíc nevyhovuje geometrická přesnost stroje, nezbývá než nové seřízení (vyrovnání geometrie) či výrazně větší zásah na úrovni generální opravy, která už přináší kvalitativněji posun v dosažené pracovní přesnosti vedle možností NC řízení stroje. Sympatickým příkladem zvyšování pracovní přesnosti, i když z poněkud jiného oboru, je Hubbleův teleskop – oproti původnímu stavu se opravami (technickými vylepšeními) jeho pracovní přesnost podle typu sledovaných parametrů zvýšila 30 až 100násobně. Očima výrobní techniky se přesnost z desetin milimetrů (desítek mikrometrů) zvýšila na jednotky mikrometrů i méně – v běžné technické praxi nepředstavitelné zejména uvědomíme- li si, že základní stavba zůstala nezměněna.
Je zřejmé, že vyráběné součástky jsou stále více tvarově složitější a vyžadují vyšší přesnost výroby. V praxi si nelze nevšimnout, že konstruktéři také u velmi rozměrných několikametrových součástí přistupují k volbě rozměrových a geometrických přesností, jako kdyby se jednalo o dílce, jež se vlezou do „krabice od banánů“. Pak se nelze divit, že rostou náklady na jejich výrobu i potřebná výrobní zařízení. Vedle toho uživatelé strojů – praktici – si nemohli nevšimnout, že elektronickými kompenzacemi se výrazně vylepšují deklarované parametry přesnosti prodávaného stroje. Vynikající geometrická přesnost zjišťována bez zatížení a softwarově vykompenzovaná bývá až oslňující, což může být v rozporu s poznáním při praktickém nasazení. Proto se stále častěji stává, že výrobce musí kupujícímu poskytnout protokoly přesnosti jak bez kompenzací, tak s kompenzacemi. Jak jsme si řekli, geometrické deformace vlivem ohybu a průhybu jsou eliminovatelné při konstrukci, výrobě a montáži stroje, ale informaci o poddajnosti stroje při (proměnlivém) zatížení neposkytují.
Lubomír W. Novotný