* Inż.KrzysztofZieliński,krzysiek.ziel@poczta.pl Drinż.AndrzejPiotrowski,apiotr@itm.pcz.pl,https://orcid.org/0000-0001-6382-200X–PolitechnikaCzęstochowska,Częstochowa,Polska

W  artykule  przedstawiono  analizę  konstrukcji  autono- micznego  stołu  obrotowego  przeznaczonego  do  współ-rzędnościowych  maszyn  pomiarowych.  Oś  obrotu  stołu jest czwartą, sterowaną osią rozszerzającą możliwości kla- sycznej  trzyosiowej  maszyny  pomiarowej  w  zakresie  po-miaru  przedmiotów  o  powtarzalnym  zarysie  na  obwodzie:  kół  zębatych,  frezów  ślimakowych  itp.  Analizę  wykona- no  w  programie  CAD/CAE  Autodesk  Inventor  Professio- nal 2018.SŁOWA KLUCZOWE: stół obrotowy, współrzędnościowa tech-nika pomiarowa, systemy CAD/CAE

The article presents an analysis of the construction of an autonomous rotary table dedicated to coordinate measur-ing machines. The axis of the table rotation is the fourth, controlled axis extending the capabilities of the classical three-axes measuring machine with the possibility of meas-uring objects with repetitive contours on the circumference: gears, hobs, etc. The analysis was performed using the CAD/CAE Autodesk Inventor Professional 2018 program.KEYWORDS: rotary table, coordinate measuring technique, CAD/CAE systems

Wprowadzenie

Współrzędnościowa technika pomiarowa zrewolucjo-nizowała metrologię przemysłową – umożliwiła prowa-dzenie skomplikowanych pomiarów oraz analiz kształtuw bardzo krótkim czasie, w jednym zamocowaniu mie-rzonego przedmiotu, i zastąpiła klasyczne, czasochłon-nemetodypomiarowe.Pomiarysąwykonywanewcykluautomatycznym, co zapewnia zminimalizowaniewpływubłędówwywołanychczynnikiemludzkim.Obszar zastosowania klasycznych współrzędnościo-

wych maszyn pomiarowych, które mają trzy osie, jestograniczony.Dziękidoposażeniutychmaszynwobroto-wystółpomiarowy,czyliczwartąindeksowanąoś,możnałatwiej i szybciejmierzyć przedmiotymające oś obrotu,takiejak:kołazębate,pierścieniełożyskoweczyturbiny,azwłaszczafrezyślimakowe(ichpomiarbezużyciaob-rotowegostołupomiarowegojestniemożliwy).Obrotowestołypomiarowepozwalająnazastosowanietrzpienipo-miarowycho prostszej konfiguracji i umożliwiają pomiarwiększościelementówmierzonegoprzedmiotuzapomo-cą pojedynczego trzpienia pracującego w osi Z. Takiestoły zapewniają optymalne pozycjonowanie mierzonejczęści w stosunku do końcówki trzpienia pomiarowegoi tymsamymskracająprzejazdy lubcałkowicie jeelimi-nują[1–3].

Założenia projektu

Producencimaszynwspółrzędnościowychoferująstołyobrotowe,jednakzazwyczajsąonedrogieimogąbyćsto-sowanetylkowwybranychmaszynach.

Podstawowymcelemautorówbyłaanaliza konstrukcjiuniwersalnego, czyli praktycznie autonomicznego stołuobrotowego, który można zastosować w dowolnej ma-szynie pomiarowej lub urządzeniu pomiarowym. Stółpowinien się charakteryzować: bezpośrednim układemnapędowym, obrotowym inkrementalnym układem po-miarowym, łożyskowaniem aerostatycznym oraz – zewzględunaograniczeniazakresupomiarowego–jaknaj-niższą obudową i małą masą. Odpowiednim zakresemtemperatury jego pracy jest 20÷21°C.Układ sterowaniaobrotem oraz układ pomiarowy muszą być możliwe dozaimplementowania w różnych programach sterującychpracąwspółrzędnościowychmaszynpomiarowych,ado-datkowopowinnymiećmożliwośćpracyautonomicznej.

Konstrukcja uniwersalnego stołu obrotowego

Analizę konstrukcyjno-wytrzymałościową przeprowa-dzonowprogramieAutodeskInventorProfessional2018.Jest to typowy programCAD służący do tworzenia po-szczególnych części jakomodeli 3D, a następnie – doich składania w jeden zespół z możliwością określeniazależnościkinematycznychwspółpracującychczęściorazprzeprowadzenia analizy wytrzymałościowej zaprojekto-wanej konstrukcjimetodąMES.Poanalizie kompatybil-ności oraz analizach kinematyczno-wytrzymałościowychwspółpracującychelementówmożliwejestautomatycznewygenerowanierysunkówwykonawczychizłożeniowychorazdokonywanienabieżącozmiankonstrukcyjnychbezpotrzebybudowaniarzeczywistegomodelu.ProgramAu-todesk InventorProfessional 2018 pracujew dowolnymsystemieoperacyjnymzrodzinyMicrosoftWindows[4].Podstawowymelementemkonstrukcjiobrotowegostołu

pomiarowego(rys.1)jesttarcza,naktórejspoczywamie-rzonyelement.Maonamożliwośćobrotudziękiłożyskom.Wukładachpomiarowychstosujesięsuperprecyzyjneło-żyskatocznelub–jeślijesttomożliwe–łożyskowanieae-rostatyczne.Wodróżnieniuodłożyskatocznegołożyskoaerostatyczneniezużywasię,aponadtomazdolnośćsa-mooczyszczania,więczapewniadługąiprecyzyjnąpracę.Wkonstrukcjistołuwykorzystanonowatorskie łożyska

powietrzne (rys.2) [5]. Łożyskowanie powietrzne opierasię na zjawisku powstawania pomiędzy elementem ru-chomym przedmiotu a zespołem łożyska poduszki po-wietrznej, które jest wywołane strumieniem przepływa-jącegosprężonegopowietrza.Wklasycznych łożyskachpowietrzewydostajesięzpojedynczegootworu,zregułyumieszczonego na środku. To powoduje nierównomier-ne rozprowadzanie powietrza między łożyskiem a po-wierzchnią,poktórejsięonoprzesuwa.Z tegowzględupoprzeprowadzeniuanalizyzdecydowanosięnazasto-sowaniełożyskwyposażonychwporowatąpowierzchniękontaktową,przezktórąpowietrzeprzechodzirównomier-nie.Wtensposóbosiągniętonajwyższądokładnośćłoży-skowaniaorazdużąnośnośćukładu[5].

Analiza konstrukcji autonomicznego stołu obrotowegoAnalysis of construction of autonomous rotary table

KRZYSZTOF ZIELIŃSKI ANDRZEJ PIOTROWSKI * DOI:https://doi.org/10.17814/mechanik.2019.7.56

MECHANIK NR 7/2019 459

460 MECHANIK NR 7/2019

W celu zabezpieczenia łożysk oraz powierzchni, którez nimi współpracują, dobrano kompaktowy czujnik ciś- nienia powietrza, monitorujący zakres ciśnienia pracy. Łożyskazostałypodłączonedoukładupneumatycznegozapomocąkompaktowychzłączekwtykowychorazela-stycznychwężypneumatycznych(rys.2).Stółpomiarowyjestwyposażonywinkrementalnyma-

gnetyczny enkoder pierścieniowy z głowicą odczytują-cąLM13firmyRenishaw,odmierzającąkątobrotustołu(rys.3).Układpomiarowyjestzamocowanybezpośredniodotarczystołupomiarowegoizapewniaprecyzjęodczy-tuwynoszącą0,006mmprzy szczelinie0,6mmmiędzypierścieniempomiarowymagłowicąodczytującą.Układcharakteryzuje się bardzo wysoką rozdzielczością po- miarową,wynoszącą0,000244mm,atakżeodpornościąnazabrudzenia iniezawodnością–dziękibezdotykowejpracy[6].Wceluwyeliminowanialuzówcharakterystycznychdla

klasycznych przekładni zębatych w badanej konstrukcjiwykorzystano bezpośredni układ przeniesienia napędu(rys.3)[7].Zastosowanysilnikmomentowycharakteryzu-jesięwysokąprecyzjąpozycjonowania,wynoszącąkilkasekundkątowych(dokładnośćpozycjonowaniajestzależ-naoddokładnościzastosowanegoukładupomiarowego),orazdużąsztywnością.Niewymagaonkonserwacjiimakompaktowąbudowę,copozwalanaograniczeniecałko-witej wysokości stołu. Silnik jest wyposażony w czujnikHalla(umieszczonynastatorze),którysłużydookreślaniapołożenia rotora, aby zwiększyć precyzję pozycjonowa-nia.Moment obrotowy silnikawynosi 15,7Nm (momentciągły)ijestdostępnyodnajmniejszychwartościprędko-ściobrotowej,cozapewniaodpowiedniepołożeniekąto-wezespołówruchomychzaprojektowanegostołu[7,8].Zaprojektowanyukład(rys.4)niemażadnychmecha-

nicznychpołączeńzpozostałymiczęściamistołupomia-rowego,codecydujeodługiejibezawaryjnejeksploatacjiurządzenia. Tarcza stołu, która jest bezpośrednio łoży-skowanaaerostatycznie,manośnośćok.188kg,aukładpomiarowy przymocowany do tarczy zapewnia najwyż-sządokładnośćpomiarową(patrztablica).Napędbezpo-średni gwarantuje dokładność i powtarzalność pozycjo-nowania.

Stół jestwyposażonyw trzypłaskie łożyskapowietrz-neośrednicy65mm,unoszącetarczęstołupomiarowe-go,orazwtrzypromieniowełożyskapowietrzneoprofiluwypukłymiwymiarach25×50mm,utrzymująceelemen-ty ruchowew odpowiednim położeniu osiowym (rys.2).

Rys.3.Model3Dukładunapędowegoipomia-rowego:1–pierścieńpomiarowy,2 –głowicaodczytująca,3–statorsilnikaelektrycznego, 4–rotorsilnikaelektrycz-nego

Rys.4.Złożeniemodeli3Dztarcząstołu:1–tarczastołu,2–pierścieńpomiarowy,3–rotorsilnikaelektrycznego,4–tulejaśrodkowa

Rys.1.Model3Dobrotowegostołupomiarowego

Rys.2. Model 3D układu łożyskowania z podłączeniem układu pneu-matycznego: 1 – łożysko osiowe, 2 – czujnik ciśnienia powietrza, 3–łożyskopromieniowe

TABLICA. Parametry techniczne stołu obrotowego

Masa ok.26kg

Nośność ok.188kg

Wysokość 120mm

Średnicatalerzapomiarowego ⌀300mm

Średnicaotworucentrującego ⌀50mm

Sposóbłożyskowania łożyskowanieaerostatyczne

Układpomiarowy bezpośredni,inkrementalny

Przeniesienienapędu bezpośrednie

Maksymalny/ciągłymomentobrotowy 35,4/15,7Nm

Analiza konstrukcji

AnalizieMESpoddanoopracowanymodel3Dobroto-wego stołu pomiarowego z narzuconymi zależnościamikinematycznymi i ze zdefiniowanymi materiałami: staląAISI440C (stół)orazaluminiumPA45 (korpus) (rys.5).Założono, że obciążenie konstrukcji, będące odpowied-nikiempunktowegonaciskurozłożonegonapowierzchni4535mm2(⌀100mm)oraz640mm2(⌀60mm)(uwzględ-nionootwórcentralny,fazyirowkiteowe)irównegomak-symalnemunaciskowiwywieranemuprzezmierzonydetal

problemem jest to, żew przypadku łożysk aerostatycz-nychstółwrazzmierzonymprzedmiotemunosisięijestpodtrzymywany na wysokości 0,005mm (przy maksy-malnejnośnościnominalnej)jedyniesiłąwytworzonejpo-duszkipowietrznej[5].Z przeprowadzonych analiz wynika, że elementem,

którynajbardziejulegaodkształceniom,jesttarczastołu. Otrzymane wielkości przemieszczeń (odkształceń), wy-noszące maksymalnie 0,004mm (w przypadku detaluo średnicy ⌀100mm) i 0,006mm (w przypadku deta-lu o średnicy⌀60mm) dla nieosiowego zamocowaniaprzedmiotu,sąmałeimożliwedopominięciaprzybudo-wie lokalnegoukładuwspółrzędnych.Zalecane jest jed-nak równomierne obciążanie stołu i mocowanie detaluwosiobrotustołu.Rozkładyprzemieszczeńwkorpusie (rys.6 i7)niesąwidocznezewzględunabardzomałewartościwporównaniuzprzemieszczeniamiwystępują-cymiwtarczystołu.Można stwierdzić, że zaprojektowany stół pomiarowy

będziesięcharakteryzowałnośnościąrównąmaksymal-nej nośności łożysk osiowych, pomniejszoną o wpływmasy elementów ruchomych (tarczy stołu, tulei środko-wej, rotora silnika itp.), wynoszącej ok. 188kg. Innymisłowy, założona wstępnie nośność stołu pomiarowegonie będzie ograniczona przez wytrzymałość elementównośnych.

Podsumowanie

Posługując się programem Autodesk Inventor Pro-fessional 2018 [4], zaprojektowano nowatorski, autono-miczny stół obrotowy dlawspółrzędnościowychmaszynpomiarowych.Stółpomiarowyjesturządzeniemprzenoś- nym, które można zamocować na dowolnej maszyniepomiarowej.Jegododatkowązaletą jestmaławysokość(120mm),tylkowniewielkimstopniuograniczającaprze-strzeń pomiarową w osi Z. Prezentowana konstrukcjacharakteryzujesięniskąmasą,wynoszącąok.26kg.Jejosiągnięciebyłomożliwedziękizoptymalizowaniuwymia-rów istarannemudobraniumateriałównaposzczególneelementy konstrukcyjne stołu. W trakcie projektowaniastołu wielokrotnie przeprowadzano analizy MES, któ-rych wyniki były podstawą do zmiany kształtu i wymia-rów elementów konstrukcyjnych. Ponadto potwierdzanoprawidłowośćzałożeńorazokreślanomaksymalnąmasęmierzonychelementów iwpływpołożeniadetalunado-kładnośćwykonywanychpomiarów.Wkolejnychkrokachoptymalizowanokonstrukcjęstołu.Ostatecznewynikiob-liczeń jednoznacznie potwierdziły prawidłowość założeńkonstrukcyjnych. Wytrzymałość konstrukcji nośnej jestzgodna z założoną nośnością 188kg, a wszystkie od-kształceniamieszcząsięwzakresieodkształceńspręży-stych(rys.6i7)iwynosząmaksymalnie0,006mm.

LITERATURA

[1] JakubiecW.,Malinowski J. „Metrologiawielkości geometrycznych”.Warszawa:WydawnictwaNaukowo-Techniczne,1993.

[2] RatajczykE.,WoźniakA.„Współrzędnościowesystemypomiarowe”.Warszawa:OficynaWydawniczaPolitechnikiWarszawskiej,2016.

[3] https://www.zeiss.pl/metrologia/produkty/systemy/portalowe- maszyny-pomiarowe/prismo.html(03.2019).

[4] https://www.autodesk.pl(03.2019).[5] https://www.newwayairbearings.com(03.2019).[6] https://www.rls.si/en/lm13-magnetic-ring-encoder-system(03.2019).[7] https://www.tecnotion.com(03.2019).[8] https://automatykab2b.pl/produkty/technika-napedowa/silniki-

elektryczne/8089-tecnotion-Silniki_Momentowe_QTR_FirmyTecno-tion(03.2019). ■

(188kg),zostanieprzyłożonewosiobrotustołuiwodleg- łości 100mm od osi obrotu, czyli w najbardziej newral-gicznymmiejscu (rowek teowy,brakpodporywmiejscumaksymalnegoobciążenia),abyzasymulowaćnierówno-mierneobciążenie stołu (rys.6 i 7).Model uproszczonoi analizowano kluczowe elementy nośne stołu pomiaro-wego(bezuwzględnianiaczęściniemającychwpływunanośność),coułatwiłointerpretacjęwyników.

Rys.6.Rozkładprzemieszczeńprzymaksymalnejnośnościstołu(⌀100mm):a)przemieszczenieukładuprzyobciążeniuznajdującymsięwosiobrotu,b)przemieszczenieukładuprzyobciążeniuznajdującymsię100mmodosiobrotu

Rys.5.ZłożeniekluczowychelementównośnychdoanalizyMES

a) b)

a) b)

Rys.7. Rozkład przemieszczeń przy maksymalnej nośności stołu (⌀60mm):a)przemieszczenieukładuprzyobciążeniuznajdującymsięw osi obrotu,b) przemieszczenie układu przy obciążeniu znajdującymsię100mmodosiobrotu

Weryfikację warunków początkowych przeprowadzo-noprzyzałożeniu,żeobciążeniestołupomiarowegojestmaksymalne–równemaksymalnejnośnościłożyskosio-wych,przyczymuwzględnionomasęzłożonychelemen-tów z tarczą stołu, czyli nacisk siłą 1850N. Poważnym

MECHANIK NR 7/2019 461