Tolerancje w obszarze obróbki precyzyjnej dużych gabarytów mieszczą się w zakresie do kilku mikrometrów. Obróbka taka umożliwia zwiększenie wydajności m.in. procesów budowy turbin, statków i samolotów, co w krajach wysoko rozwiniętych czyni ją głównym motorem napędowym produkcji. Zasadniczy wpływ na jej dokładność wywiera przy tym stale zmieniający się stan termoelastyczny obrabiarki oraz obrabianego elementu. Różne wewnętrzne i zewnętrzne źródła ciepła oraz jego wahania powodują bowiem odkształcenia konstrukcji obrabiarki oraz obrabianego elementu. Jako przykład można wymienić nagły spadek temperatury w hali produkcyjnej wskutek otwarcia bramy na czas dostawy nowych elementów do obróbki. O ile takie zakłócenie można przewidzieć i łatwo mu zapobiec, o tyle już np. wpływ ciepła odpadowego (powstającego w trakcie procesów technologicznych) i chłodziwa na geometrię obrabiarki oraz obrabianego elementu ma o wiele bardziej złożony charakter. Ponadto elementy wielkogabarytowe cechują się swego rodzaju „własnym życiem”, ponieważ wahania ich temperatur i stan rozciągliwości zależą również od historii ostatnich obróbek.

„Własne życie” stawia wysokie wymagania
Masywne stoły obrabiarek o wadze do kilkuset ton – podobnie jak elementy wielkogabarytowe – „noszą w sobie” historię obróbki. Rozbieżności pomiędzy planowaniem i rzeczywistością występują w całym procesie tworzenia – począwszy od doboru dostawców i zakupu części zgodnych ze specyfikacją, przez wewnątrzzakładową produkcję i montaż, a skończywszy na wysyłce gotowych wyrobów. Elementy wielkogabarytowe także podczas transportu narażone są bowiem na wpływ środowiska naturalnego i mogą dotrzeć do odbiorców w innym stanie niż ten, w którym opuściły zakład.

Do tej pory brakuje usystematyzowanej procedury postępowania w kwestii określania i minimalizacji wpływu poszczególnych cząstkowych błędów na końcowy efekt procesu produkcyjnego. Z tego względu przy obróbce wyrobów precyzyjnych wymagana jest szeroka wiedza specjalistyczna, którą na ogół zdobywa się tylko przez wieloletnią praktykę w przedsiębiorstwach. Możliwość wymiany wiedzy i doświadczeń oferuje również instytucja konsorcjum przedsiębiorstw tworzących grupę roboczą. W jej ramach – w wyniku ścisłej współpracy między zespołami naukowców a przemysłem – opracowywane są także nowe, innowacyjne techniki pomiarowe służące rejestracji i kompensacji odchyleń na obrabiarce i obrabianym elemencie.

Wpływ grawitacji i temperatury
Z technologicznego punktu widzenia w przypadku obróbki precyzyjnej konieczna jest większa integracja techniki pomiarowej z układami sterowania systemów produkcyjnych, aby możliwie najlepiej odzwierciedlić obraz procesu produkcyjnego. W szczególności należy zmierzyć wpływ grawitacji i zmian temperatury na duże konstrukcje [1]. W tym celu rozwijane są modele obliczeniowe, które pozwalają dokładniej ocenić skutki wpływu środowiska oraz wypracować strategie kompensacji lub nawet prognozowania i zapobiegania ewentualnym odchyłkom. Przy zastosowaniu odpowiedniego oprogramowania umożliwiają one również opis, automatyczny monitoring i regulację złożonych zależności fizycznych między obrabianym elementem, procesem a systemem produkcyjnym.

Nowoczesne maszyny do obróbki elementów wielkogabarytowych osiągają w stanie stabilności termicznej dokładność pozycjonowania na poziomie jednego do kilku mikrometrów dla gabarytów detali znacznie przekraczających 10 m. Stan termiczny obrabiarki pozostaje jednak stabilny tylko w nielicznych przypadkach, gdyż generalnie podlega ona różnym termicznym warunkom brzegowym. Współczynnik rozszerzalności cieplnej dla odlewów rzędu ok. 8 μm/m∙K w połączeniu z dużą średnicą podziałową elementów wielkogabarytowych sprzyja występowaniu znacznych przemieszczeń, które przy 5 m wynoszą już 40 μm/°C.

Inteligentne stosowanie techniki pomiarowej
Oddziaływanie obrabiarki na detal np. przez ciepło odpadowe można już pasywnie tłumić lub minimalizować przez zastosowanie odpowiednich konstrukcji lub aktywne wyrównywanie temperatury. Jednak często warunki w miejscu instalacji trudno określić i skorygować. Występujące przemieszczenia w obu przypadkach zależą przede wszystkim od położenia, dlatego trzeba je odnieść do całkowitej wielkości maszyny [2]. Możliwa do uzyskania jakość obrabianych detali zależy od dokładności wolumetrycznej obrabiarki w danych warunkach temperaturowych, na którą wpływ mają zarówno błędy geometryczne, jak i przesunięcia przedmiotu obrabianego.

Aby poprawić dokładność wolumetryczną pozycjonowania narzędzia w trzech wymiarach przy jednoczesnej optymalizacji czasu i metod sterowania procesem, konieczne jest skorzystanie z nowoczesnych narzędzi pomiarowych, które gwarantują pełną kontrolę dokładności obróbki zrealizowanej przez duże obrabiarki. Można je wykorzystać np. w celu zapewnienia zgodności wymiaru elementu z tolerancją przez przeprowadzenie krótkiej kontroli maszyny bezpośrednio przed przystąpieniem do obróbki wykończeniowej. Znajdują tu zastosowanie dwie metody badawcze, które od dłuższego czasu wykorzystuje się do regularnego monitorowania maszyn do pomiarów współrzędnościowych: pomiar laserowy zmian długości przekątnych oraz odczyt naniesionych na stół obrabiarki punktów referencyjnych [3].

Traker laserowy automatycznie kieruje promieniem lasera
Pomiar laserowy jest realizowany szczególnie szybko przy zastosowaniu tzw. śledzącego interferometru (trakera laserowego), który automatycznie naprowadza promień lasera na mierzony element. Można w ten sposób w ciągu kilku godzin precyzyjnie określić odchylenia pozycjonera i prostopadłości maszyny trzyosiowej o wymiarach 10 m × 3 m × 2 m. Jeżeli obrabiarka wyposażona jest w stół obrotowy pełniący funkcję czwartej osi, dokładność maszyny można także określić w obszarze powyżej stołu obrotowego, sprawdzając odchylenie pozycji dwóch punktów referencyjnych dla różnych kątów stołu [3]. Pomiar taki można przeprowadzić w ciągu 30 minut za pomocą bezdotykowego czujnika 3D do określania położenia punktów referencyjnych.

Należy przy tym zawsze rozważyć, czy przerwanie produkcji w celu przeprowadzenia krótkiego badania maszyny jest ekonomicznie uzasadnione. Wymóg ten zachodzi niemal zawsze w odniesieniu do elementów wielkogabarytowych, w przypadku których błędy w obróbce mogą łatwo przyczynić się do strat liczonych w setkach tysięcy euro. Niestabilne warunki termiczne w otoczeniu produkcyjnym prowadzą bowiem do czasowo i miejscowo niestałych, termoelastycznych zmian w geometrii obrabianych elementów. W konsekwencji zachodzą znaczące odchylenia w obróbce i pomiarze, szczególnie w przypadku obróbki precyzyjnej i pomiaru właściwości krytycznych elementów o dużych wymiarach. Podczas gdy rozszerzalność cieplna rozkłada się proporcjonalnie do wielkości obrabianego elementu, nie dotyczy to specyficznych tolerancji, np. dla wirników i obudów turbin lub kół zębatych.

Pomiary geometrycznie wymagających elementów wielkogabarytowych między poszczególnymi etapami obróbki lub montażu przeprowadza się zazwyczaj w nieklimatyzowanym otoczeniu produkcyjnym, co z kolei prowadzi do wywołanych termicznie zmian w geometrii półwyrobu. Odnosi się to również do badania końcowego, jeśli brakuje klimatyzowanego pomieszczenia o odpowiedniej wielkości przeznaczonego do wykonywania pomiarów. Ale nawet jeżeli obrabiany element zostanie przetransportowany w celu wykonania badania geometrycznego do otoczenia o kontrolowanej temperaturze, także tam należy wziąć pod uwagę właściwości termoelastyczne. Zależny od geometrii czas wyrównania temperatury, ustalany głównie na podstawie różnicy temperatur w wyniku zmiany otoczenia lub zmagazynowanego jeszcze ciepła procesowego, może w przypadku elementów wielkogabarytowych być liczony w dniach. Zazwyczaj jednak nie można go określić nawet w przybliżeniu i dlatego z reguły nie jest dotrzymywany. Może to skutkować problemami podczas montażu (np. wirników i obudów turbin, jeśli pominięto niezbędną obróbkę wykańczającą) lub niekorzystnymi wynikami pomiaru podczas odbioru.

W ramach grupy roboczej utworzonej przez przedsiębiorców, Laboratorium Obrabiarek WZL oraz Instytut Fraunhofer IPT opracowano intuicyjne oprogramowanie, które pomaga operatorowi w określaniu i ocenie termoelastycznych odchyleń obrabianych elementów przed następnym etapem obróbki lub częściowym bądź końcowym badaniem geometrycznym. Wynalazek nie tylko przyczynia się do normalizacji procedury obróbki i badań obrabianych elementów wielkogabarytowych, ale także pozwala jego twórcom przygotować się do realizacji wymogów wynikających z przyszłych regulacji.

Korzystanie ze specjalistycznego sprzętu pomiarowego lub maszyn do pomiarów współrzędnościowych w celu badania obrabianych elementów wymaga dużo czasu, a wykonywanie pomiarów między poszczególnymi etapami produkcyjnymi nie zawsze jest możliwe. Postanowiono więc wykorzystać w tym celu precyzyjne liniowe układy pomiarowe wbudowane w osie nowoczesnych obrabiarek. Centralnym aspektem badań była przy tym spójność pomiarowa będąca warunkiem uzyskania prawidłowych i porównywalnych wyników pomiaru, a także umożliwiająca ich wykorzystanie w kwantyfikacji procesu obróbki [4].

Zmiana paradygmatu
Punktem wyjścia prowadzonych badań było dokładne poznanie maszyny, zastosowanej sondy pomiarowej, warunków otoczenia oraz zadania pomiarowego. Niepewność pomiaru ustalono, biorąc pod uwagę wspomniane czynniki ryzyka związane z obrabiarką, obrabianym elementem i metodą kalibracji, jak również metodami oceny stosowanymi w ramach procedury standardowej.

Rozwój innowacyjnych i szybkich metod kalibracji obrabiarek – w połączeniu z adaptacją metod znanych z klasycznej techniki pomiarów współrzędnościowych – przyczyniają się w tym przypadku do zmiany paradygmatu w kierunku rozwiązania praktycznego i przyjaznego dla użytkownika [5]. Dlatego praca grupy roboczej nadal koncentruje się na opracowaniu wytycznych dotyczących zachowania spójności pomiarów na dużych obrabiarkach tak, aby użytkownik mógł wykorzystać zalety, jakie daje nowa metodologia. Wytyczne te są tworzone głównie dla producentów elementów wielkogabarytowych o wysokich standardach dokładności i dlatego zostały dopasowane do ich wymagań. Przez wymagające elementy wielkogabarytowe rozumiane są przy tym detale, których rozmiary narzucają użycie systemów maszynowych z osiami o długości ponad 1 m, które wykazują stosunkowo wąskie tolerancje i/lub są produkowane w małych partiach bądź jako pojedyncze sztuki. Wytyczne mają pomóc producentom w adaptacji do ustaleń grupy roboczej w tematach „Wydajność cieplna maszyny i obrabianego elementu” oraz „Szybki test w celu określenia dokładności obrabiarki” celem kwalifikacji obrabiarki jako maszyny do pomiarów współrzędnościowych.

--------------

^{LITERATURA
[1] R. Schmitt, M. Peterek, K. Wendt, M. Franke (2014): Die Werkzeugmaschine als Koordinatenmessgerät?: Rückgeführte Messprozesse auf Werkzeugmaschinen, [w:] Koordinatenmesstechnik 2014, wyd. Wissensforum, VDI Berichte 2243, VDI Verlag GmbH Düsseldorf 2014, s. 105-110.
[2] C. Brecher, M. Fey, M. Wennemer (2015): Volumetric thermoelastic machine tool behavior, Production Engineering, tom 9, wyd. 1, s. 119-124.
[3] DIN EN ISO 10360-2 und DIN EN ISO 10360-3 Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Annahmeprüfung und Bestätigungsprüfung für Koordinatenmessgeräte (KMG).
[4] R. Schmitt, M. Peterek (2015): Traceable Measurements on Machine Tools – Thermal Influences on Machine Tool Structure and Measurement Uncertainty, Procedia CIRP 33, s. 576-580.
[5] R. Schmitt et al. (2014): Precision manufacturing and assembly of large components, [w:] C. Brecher, F. Klocke, R. Schmitt, G. Schuh (red.): Industrie 4.0: Aachener Perspektiven: Aachener Werkzeugmaschinenkolloquium 2014, wyd. Shaker. Herzogenrath, s. 403-425.}