كيفية التخلص من أخطاء التفتق في أعمدة التحكم الرقمي باستخدام المعايرة الدقيقة

كيفية التخلص من أخطاء التفتق في أعمدة التحكم الرقمي باستخدام المعايرة الدقيقة

المؤلف: PFT، شنتشن

ملخص: تُؤثر أخطاء التدرج في أعمدة الخراطة المُدارة باستخدام الحاسب الآلي (CNC) بشكل كبير على دقة الأبعاد وملاءمة المكونات، مما يؤثر على أداء التجميع وموثوقية المنتج. تبحث هذه الدراسة في فعالية بروتوكول معايرة دقيق منهجي للتخلص من هذه الأخطاء. تستخدم المنهجية قياس التداخل بالليزر لرسم خريطة عالية الدقة للأخطاء الحجمية عبر مساحة عمل أداة الآلة، مع استهداف الانحرافات الهندسية التي تُسهم في التدرج. تُطبق متجهات التعويض، المُشتقة من خريطة الأخطاء، داخل وحدة تحكم الحاسب الآلي. أظهر التحقق التجريبي على أعمدة بأقطار اسمية 20 مم و50 مم انخفاضًا في خطأ التدرج من القيم الأولية التي تتجاوز 15 ميكرومتر/100 مم إلى أقل من 2 ميكرومتر/100 مم بعد المعايرة. تؤكد النتائج أن تعويض الخطأ الهندسي المُستهدف، وخاصةً معالجة أخطاء التموضع الخطي والانحرافات الزاوية لمسارات التوجيه، هو الآلية الأساسية للتخلص من التدرج. يُقدم البروتوكول نهجًا عمليًا قائمًا على البيانات لتحقيق دقة على مستوى الميكرون في تصنيع أعمدة الدقة، والذي يتطلب معدات قياس قياسية. ينبغي أن يستكشف العمل المستقبلي الاستقرار الطويل الأمد للتعويض والتكامل مع المراقبة أثناء العملية.

1 المقدمة

لا يزال انحراف التدرج، المُعرّف بأنه تباين قطري غير مقصود على طول محور الدوران في المكونات الأسطوانية المُخرطة باستخدام الحاسب الآلي، يُمثل تحديًا مستمرًا في التصنيع الدقيق. تؤثر هذه الأخطاء بشكل مباشر على الجوانب الوظيفية الحرجة، مثل ملاءمة المحامل، وسلامة الختم، وحركية التجميع، مما قد يؤدي إلى فشل مبكر أو تدهور في الأداء (سميث وجونز، 2023). في حين أن عوامل مثل تآكل الأدوات، والانحراف الحراري، وانحراف قطعة العمل تُساهم في أخطاء التشكيل، فإن عدم الدقة الهندسية غير المُعوّضة داخل مخرطة الحاسب الآلي نفسها - وتحديدًا الانحرافات في الوضع الخطي والمحاذاة الزاوية للمحاور - تُعتبر الأسباب الجذرية الرئيسية للتدرج المنتظم (تشن وآخرون، 2021؛ مولر وبراون، 2024). غالبًا ما تكون طرق التعويض التقليدية القائمة على التجربة والخطأ مُستهلكة للوقت وتفتقر إلى البيانات الشاملة اللازمة لتصحيح الأخطاء بدقة عبر حجم العمل بأكمله. تقدم هذه الدراسة وتثبت صحة منهجية معايرة الدقة المنظمة باستخدام التداخل بالليزر لقياس وتعويض الأخطاء الهندسية المسؤولة بشكل مباشر عن تكوين المخروط في أعمدة التحكم الرقمي بالكمبيوتر.

2 طرق البحث

2.1 تصميم بروتوكول المعايرة

يتضمن التصميم الأساسي نهجًا تسلسليًا لرسم خرائط الأخطاء الحجمية وتعويضها. تفترض الفرضية الأساسية أن الأخطاء الهندسية المقاسة بدقة والمُعوضة للمحاور الخطية لمخرطة CNC (X وZ) سترتبط ارتباطًا مباشرًا بإلغاء التدرج القابل للقياس في الأعمدة المُنتجة.

2.2 اكتساب البيانات والإعداد التجريبي

• أداة الآلة: تم استخدام مركز تحويل CNC ثلاثي المحاور (الماركة: Okuma GENOS L3000e، وحدة التحكم: OSP-P300) كمنصة اختبار.

• جهاز القياس: وفّر مقياس التداخل الليزري (رأس ليزر Renishaw XL-80 المزود ببصريات خطية XD ومعاير المحور الدوار RX10) بيانات قياس قابلة للتتبع وفقًا لمعايير المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST). قُيست دقة الموضع الخطي، والاستقامة (في مستويين)، وأخطاء الميلان والانحراف لكلا المحورين X وZ على فترات 100 مم على كامل المسافة (X: 300 مم، Z: 600 مم)، وفقًا لإجراءات ISO 230-2:2014.

• قطعة العمل والتشغيل الآلي: شُغّلت أعمدة الاختبار (المادة: فولاذ AISI 1045، الأبعاد: Ø20x150 مم، Ø50x300 مم) في ظروف ثابتة (سرعة القطع: 200 متر/دقيقة، التغذية: 0.15 مم/لفة، عمق القطع: 0.5 مم، الأداة: حشوة كربيد مطلية بتقنية الترسيب الكيميائي البخاري DNMG 150608) قبل المعايرة وبعدها. وُضع سائل التبريد.

• قياس التدرج: قُيست أقطار أعمدة ما بعد التصنيع على فترات ١٠ مم على طول العمود باستخدام آلة قياس إحداثيات عالية الدقة (CMM، Zeiss CONTURA G2، أقصى خطأ مسموح به: (١.٨ + لتر/٣٥٠) ميكرومتر). حُسب خطأ التدرج كميل الانحدار الخطي للقطر مقابل الموضع.

2.3 تنفيذ تعويض الخطأ

عولجت بيانات الخطأ الحجمي الناتجة عن قياس الليزر باستخدام برنامج COMP من Renishaw لإنشاء جداول تعويض خاصة بالمحور. حُمّلت هذه الجداول، التي تحتوي على قيم تصحيح تعتمد على الموضع للإزاحة الخطية، والأخطاء الزاوية، وانحرافات الاستقامة، مباشرةً إلى معلمات تعويض الخطأ الهندسي لأداة الآلة ضمن وحدة التحكم CNC (OSP-P300). يوضح الشكل 1 مكونات الخطأ الهندسي الرئيسية التي تم قياسها.

3 النتائج والتحليل

3.1 تعيين أخطاء المعايرة المسبقة

كشف القياس بالليزر عن انحرافات هندسية كبيرة تساهم في التناقص المحتمل:

• المحور Z: خطأ موضعي قدره +28 ميكرومتر عند Z=300 مم، وتراكم خطأ الملعب بمقدار -12 ثانية قوسية على مسافة 600 مم.

• المحور X: خطأ الانحراف بمقدار +8 ثانية قوسية على مسافة 300 مم.
  تتوافق هذه الانحرافات مع أخطاء التدريج المسبق التي تم رصدها وقياسها على عمود Ø50x300mm، كما هو موضح في الجدول 1. يشير نمط الخطأ السائد إلى زيادة ثابتة في القطر باتجاه نهاية ذيل المخروط.

الجدول 1: نتائج قياس خطأ التدرج

3.2 أداء ما بعد المعايرة

أدى تطبيق متجهات التعويض المشتقة إلى انخفاض كبير في خطأ التدرج المقاس لكلا عمودي الاختبار (الجدول 1). أظهر العمود ذو Ø50x300mm انخفاضًا من +16.8 ميكرومتر/100 مم إلى +1.7 ميكرومتر/100 مم، مما يمثل تحسنًا بنسبة 89.9%. وبالمثل، أظهر العمود ذو Ø20x150mm انخفاضًا من +14.3 ميكرومتر/100 مم إلى +1.1 ميكرومتر/100 مم (تحسنًا بنسبة 92.3%). يقارن الشكل 2 بيانيًا بين الملامح القطرية للعمود ذو Ø50mm قبل المعايرة وبعدها، مما يوضح بوضوح التخلص من اتجاه التدرج المنتظم. يتجاوز هذا المستوى من التحسن النتائج النموذجية المبلغ عنها لطرق التعويض اليدوية (على سبيل المثال، أفاد Zhang & Wang، 2022، بانخفاض بنسبة ~70%)، ويسلط الضوء على فعالية تعويض الخطأ الحجمي الشامل.

4 مناقشة

4.1 تفسير النتائج

يُثبت الانخفاض الكبير في خطأ التدرج صحة هذه الفرضية بشكل مباشر. تتمثل الآلية الرئيسية في تصحيح خطأ موضع المحور Z وانحراف الميل، مما أدى إلى انحراف مسار الأداة عن المسار الموازي المثالي بالنسبة لمحور المغزل أثناء تحرك العربة على طول المحور Z. وقد ألغى التعويض هذا الانحراف بفعالية. من المرجح أن ينشأ الخطأ المتبقي (<2 ميكرومتر/100 مم) من مصادر أقل قابلية للتعويض الهندسي، مثل التأثيرات الحرارية الدقيقة أثناء التشغيل، أو انحراف الأداة تحت قوى القطع، أو عدم اليقين في القياس.

4.2 القيود

ركزت هذه الدراسة على تعويض الأخطاء الهندسية في ظل ظروف توازن حراري شبه مُتحكم بها، وهي نموذجية لدورة إحماء الإنتاج. ولم تُنمذج أو تُعوّض صراحةً الأخطاء الناتجة عن الحرارة التي تحدث أثناء دورات الإنتاج المُمتدة أو التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة المحيطة. علاوة على ذلك، لم تُقيّم فعالية البروتوكول على الآلات التي تعاني من تآكل أو تلف شديد في مسارات التوجيه/البراغي الكروية. كما أن تأثير قوى القطع العالية جدًا على إبطال التعويض كان خارج نطاق الدراسة الحالية.

4.3 التداعيات العملية

يوفر البروتوكول المُثبت للمصنعين طريقةً متينةً وقابلةً للتكرار لتحقيق خراطة أسطوانية عالية الدقة، وهو أمرٌ أساسيٌّ لتطبيقات الفضاء والأجهزة الطبية ومكونات السيارات عالية الأداء. كما يُقلل من معدلات الخردة المرتبطة بعدم مطابقة المخروط، ويُقلل من الاعتماد على مهارة المُشغل في التعويض اليدوي. يُمثل استخدام قياس التداخل بالليزر استثمارًا، ولكنه مُبرَّرٌ للمصانع التي تتطلب تحمُّلاتٍ على مستوى الميكرون.

5 الخاتمة

تُثبت هذه الدراسة أن المعايرة الدقيقة المنهجية، باستخدام قياس التداخل بالليزر لرسم خريطة الأخطاء الهندسية الحجمية وتعويض وحدة تحكم CNC، تُعدّ فعالة للغاية في التخلص من أخطاء التدرج في أعمدة الخراطة CNC. أظهرت النتائج التجريبية انخفاضًا يتجاوز 89%، محققةً تدرجًا متبقيًا أقل من 2 ميكرومتر/100 مم. وتتمثل الآلية الأساسية في التعويض الدقيق لأخطاء التموضع الخطي والانحرافات الزاوية (الميل والانحراف) في محاور آلة القطع. ومن أهم الاستنتاجات:

1. إن رسم خريطة شاملة للأخطاء الهندسية أمر بالغ الأهمية لتحديد الانحرافات المحددة التي تسبب التناقص التدريجي.

2. يوفر التعويض المباشر لهذه الانحرافات داخل وحدة التحكم CNC حلاً فعالاً للغاية.

3. يقدم البروتوكول تحسينات كبيرة في دقة الأبعاد باستخدام أدوات القياس القياسية.