Modelling and measurement of volumetric thermal errors for CNC machining center using on the machine measurement system

One of the major limitations of productivity and quality in metal cutting is machining accuracy of machine tools. The machining accuracy is affected by geometric errors, thermally induced errors, and deterioration of the machine tools. Geometric and thermal errors of machine tools. Geometric and thermal errors of machine tools should be measured and compensated to manufacture high quality products. In metal cutting, the machining accuracy is more affected by thermal errors than by geometric errors. This paper models the thermal errors for error analysis and develops an on the machine measurement system by which the volumetric errors are measured and compensated. The thermal error is modeled means of angularity errors of column and thermal drift error pf the spindle unit which are measured by the touch probe unit with a star type styluses and a designed spherical ball artifact (SBA). Experiments show that the developed system provides a high measuring accuracy, with repeatability of +- 2um in X,Y and Z directions. A neural network model is used for predicting thermal errors occurring while in process. The thermal errors are compensated by means of a custom macro of the machine tool controller. With the compensation effort, the machining accuracy of machine tools is improved. It is believed that the developed measurement system can be also applied to the machine tools with CNC controller. In addition, machining accuracy and product quality can be also improved by using the developed measurement when the spherical ball artifact is mounted on a modular fixture.

---

Jednym z głównych ograniczeń wydajności i jakości w skrawaniu metali jest dokładność skrawania. Na dokładność skrawania mają wpływ błędy geometryczne, błędy spowodowane efektami cieplnymi oraz pogarszanie się jakości obrabiarek. Błędy geometryczne i cieplne obrabiarek należy mierzyć i kompensować, aby wytwarzać produkty wysokiej jakości. W przypadku skrawania metali na dokładność skrawania wpływają bardziej błędy cieplne niż błędy geometryczne. Autorzy referatu zamodelowali błędy cieplne dla celów analizy błędów i opracowali układ pomiarowy na obrabiarce, za pomocą którego błędy objętościowe są mierzone i kompensowane. Błąd cieplny jest modelowany za pomocą błędów nachylenia kolumny i błędu dryfu cieplnego zespołu wrzeciona, mierzonych sondą dotykową z palcami prowadzącymi typu gwiazda i sferycznym artefaktem kulkowym (spherical ball artifact). Badania wykazały, że opracowany układ zapewnia wysoką dokładność pomiaru z powierzchnią rzędu +-2um w kierunkach X,Y,Z. Model sieci neuronowej zastosowano do przewidywania błędów cieplnych występujących w trakcie procesu. Błędy cieplne kompensowane są za pomocą projektowanego na zamówienie makra sterownika obrabiarki. Dzięki tej kompensacji dokładność skrawania obrabiarek ulega poprawie. Uważa się, że opracowany układ pomiarowy można zastosować także do obrabiarek ze skomputeryzowanym sterowaniem numerycznym. Ponadto dokładność obróbki i jakość wyrobu można poprawić przez zastosowanie opracowanego układu pomiarowego, gdy sferyczny artefakt kulkowy jest zamocowany na modularnym uchwycie specjalnym.