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CNC 機床的性能測驗的系統(tǒng)發(fā)展和平面的編碼器測量的應(yīng)用
W. Jywe
自動化工程學部， 國立Huwei科技研究所, Huwei, 林云,臺灣
在這個文章中，平面的編碼器的測定的裝置是為了發(fā)展測試 CNC 機床的表現(xiàn)。在計算機的協(xié)助下，這一個系統(tǒng)能被使用進行2 D 的 CNC畫 輪廓測試和 3D立體定位測試。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原則,可以進行一般的 2 D 的應(yīng)用畫輪廓測試，漂流物測試, 和指定的幾何學的部份路徑測試。 一個真實的個案是研究改良一個凸輪的機制準確性的描述。 最后, 示范了一個新的使用光學的編碼器的 3D立體放置方法。
關(guān)鍵字: 球狀校核系統(tǒng); 機床; 幾何學的部份路徑; 平面的編碼器; 熱的漂流物測試; 三維空間的定位; 二維空間的畫輪廓
1. 介紹
機床的表現(xiàn)和一致性-對機器制造的質(zhì)量的起主要作用。 系統(tǒng)地檢查機床的表現(xiàn)對于直接的質(zhì)量校核或為這不確定補償是重要的。1932年 , 低空飛機遠程警戒雷達網(wǎng) 首先為機器提供一個系統(tǒng)的方法。這個方法成為國際標準組織標準發(fā)展的基礎(chǔ)。在 1959年，Tlusty使用了電和感應(yīng)來測試紗錠準確性。 Tlusty，Koenigsberger和 Burdekin為機床指出了新的測試方法。 Burdekin檢查了機床的運動準確性和機器加工部份的關(guān)系。 Tlusty計劃了一個不切割的測試方法。然后機床表現(xiàn)的測試分為一個直接的切斷之內(nèi)分類測試和一個間接的切斷測試。Ericson首先描述了機床的工作地域。布賴恩和皮爾森解釋了斜度，旋轉(zhuǎn)，偏離的測量程度的定義和方法。 在商業(yè)的激光干涉計的使用之后,測定體積誤差的分析可以被描述了。Voutsudopoulos 和 Burdekin指出坐標測量機需要校正的模型。 Fan使用一個激光干涉計和個人計算機校正不同類型的機床的裝置。 Zhang和 Hockey 通過測量位置錯誤 獲得了 的 21個錯誤成份。為了找出 21個錯誤成份, Zhang 和 Zang設(shè)計1-D球狀隊列，然后 Zhang描述了一個迅速獲得筆直錯誤的方法。 在2000年, Jywe 描述了一個使用球狀校核系統(tǒng)的方法證明了CNC機床 的測定體積錯誤。圓形的測試被發(fā)展用來檢查幾何學和畫輪廓錯誤。 為了準確性評估，Burdekin[20] 描述了使用圓形的路徑的方法作切斷測試。 布賴恩為畫輪廓測試發(fā)展了第一個球狀校核系統(tǒng)。然而，在這一個系統(tǒng)中，不確定是很高的,其主要原因是在球和磁性插口之間的摩擦和沒有準確測量和制造它的的半徑.Knapp's 的系統(tǒng)是 在機床上用一個圓形的比較標準圓盤展開和 2 D 測量。這一個系統(tǒng) 的問題是在 2 D 之間摩擦的存在和系統(tǒng)對高速的畫輪廓測試是無法使用圓盤, 小帶寬和2 D 測試的高費用。 Kakinov 提供了使用一個球狀校核系統(tǒng)校準一個同等的CNC機床。 Knapp描述了一條減少預(yù)定黏住–滑等的錯誤的規(guī)則.Burdekin 和Park通過使用四坐標聯(lián)動的方式修改了原始的球狀校核系統(tǒng)。 Burdekin 和 Jywe[31]提供通過一個診斷畫輪廓錯誤和調(diào)整 CNC 機床的參數(shù)來優(yōu)化機床的方法。 Ziegert 和 Mize描述了一個激光球校核系統(tǒng)。 所有的這些球校核系統(tǒng), 包括Renishaw側(cè)面的系統(tǒng) 提供只有在畫輪廓測試期間的半徑錯誤, 都限制了外形制造錯誤的分析即使每個軸存在共有的不是各自的錯誤。為了獲得每個軸的外形制造錯誤, Jywe[34]使 用了二個位置硅探測器來測試.。 一個激光源發(fā)出激光光線,激光光線進入二條垂直的線之內(nèi)被分離并且射在二臺垂直放置機床的硅探測器上。 Heidenhein格子編碼器也提供畫輪廓2 D測試, 但是非常費用很高。在半導(dǎo)體和電子制造儀器應(yīng)用平面的編碼器系統(tǒng)。這個有很好的電動反應(yīng)系統(tǒng)能測量 0.1 m 的數(shù)量級.但最重要的是低費用。 然而,那最初的平面編碼器為人工的操作而設(shè)計,用來進行CNC 機床的外形測試是不適當?shù)?由于下列的考慮:
1. 最初的系統(tǒng)只包括了一個編碼器和探測器。 沒有相關(guān)的接口和驅(qū)動。
2. 如此沒有相關(guān)的畫輪廓軟件和測試-方法。因此,即使有了相關(guān)的軟件,使用和整合一個新的計算機輔助平面編碼器中系統(tǒng)來測試兩者的動態(tài)表現(xiàn)和CNC機床的幾何錯誤也僅僅在紙上,。最重要的是與Heidenhein 格子編碼器系統(tǒng)相比較,畫輪廓測試的裝置 能減少90% 費用。從早先的研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了那個測試裝置總是不適合的對3D幾何錯誤測試。 此外，這些裝置不適合的對一個自由形態(tài)的 2 D畫輪廓測試的。書中設(shè)計和發(fā)展了一個裝置的簡單測量裝置來檢查每個輸出軸的制造外形。 同時一個3D位置的測試也發(fā)展了。
2. CNC機床的2 D 平面編碼器畫輪廓測量系統(tǒng)
2.1 平面的編碼器的原則
一個平面的編碼器系統(tǒng)例如 Renishaw RGX系統(tǒng)已經(jīng)在半導(dǎo)體和電子制造儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展了, 系統(tǒng)使用一個有二個直角可以 測試X 和 Y 方向感應(yīng)器的探測器
.系統(tǒng)有一個好動態(tài)的反映而且在方向上達到了0.1 m的數(shù)量級。 V -B被用來編輯測定的軟件程序。圖 1 使用簡單的平面編碼器測試的外形輪廓。 這平面的編碼器提供每個軸的2 D 畫輪廓的定位數(shù)據(jù)。 在測試中, 平面的編碼器與 CNC 機床不兼容而且探測器經(jīng)常需要修理。 計算機軟件經(jīng)由一張柜臺卡片能讀抽取樣品數(shù)據(jù)。
Fig.1
3. 測定的系統(tǒng)不確定
3.1 由于抽取樣品程序的不確定
完善的軟件出現(xiàn)了下列的因素:
1.采樣必須都是在外形附近和合理地獨立計算機速度
2. 充份的抽取樣品數(shù)據(jù)對顯示和分析高辨識率的錯誤是必要的。
3. 抽取樣品數(shù)據(jù)應(yīng)該與畫輪廓速度,計算機速度和畫輪廓半徑無關(guān)。
3.2 由于熱的效果不確定
為測試考慮系統(tǒng)的熱效果,如果平面的編碼器的溫度不同于那機床平臺,半徑誤差將會被影響。 如果那平面的編碼器本身的溫度不是統(tǒng)一的, 那在外圓誤差將會被影響。 雖然平面的編碼器的擴充系數(shù)相當小,到了極小的影響,編碼器也應(yīng)該不時的放到測試機床平臺來減少溫度差異和讓編碼器的溫度穩(wěn)定。
4. 圓形的畫輪廓路徑測試結(jié)果
在一個 有0 M Fanuc 校核器并且垂直 CNC機床上進行XY方向 上進行了一個簡單的畫輪廓測試.畫輪廓結(jié)果顯示在圖 2中。 那逆時針方向的和順時針方向的在 20 毫米半徑畫輪廓測試能滿足ISO 230-1 和 230-2的需求。 從結(jié)果來看,絕對的半徑錯誤能被容易地發(fā)現(xiàn)。 對于一般的畫輪廓系統(tǒng),僅僅沒有給了圓度。 此外, 如果有需要的話,每個軸的錯誤也能被個別地發(fā)現(xiàn)。對于分析的目的這是有用的。
Fig.2
5. 熱的漂流物
畫輪廓系統(tǒng)提供例如非連絡(luò)畫輪廓測試。 對于像球校核系統(tǒng)的畫輪廓系統(tǒng), 由于問題信號電纜的卷繞只有一個的有限制數(shù)字運行。 在這個試驗里, 測試運行是無限的。 因此, 一個熱的漂流物測試能在沒有另外的固定物時容易地運行。 經(jīng)過八小時的連續(xù)順時針方向畫輪廓運行, 畫輪廓結(jié)果在圖 3 中以每個二小時的周期被顯示。 畫輪廓中心在圖 4 中每個30分鐘被顯示。在 8 小時中 畫輪廓中心漂流物是重要的。不僅給的畫輪廓中心漂流物還有也獲得每次運行畫輪廓錯誤的形式都是很重要的。 從這一個測試中, 這一個系統(tǒng)很容易顯示連續(xù)運行的表現(xiàn)。
Fig.3
Fig.4
Fig.5
6.平面編碼的方形錯誤測試
使用平面編碼器方形錯誤可能容易地被檢測到。編碼器被設(shè)置在被測試的平面上。探測器沿著編碼器的正方形邊緣。CNC 機床被測試了并且結(jié)果被顯示在圖5. 制造外形的測試。
7. 激光 二極管和象限傳感器塑造外形的系統(tǒng)[ *
使用激光 二極管和象限傳感器塑造外形的系統(tǒng)可能核實平面編碼器塑造外形的系統(tǒng)。使用一條2 毫米順時針制造外形的半徑, 圖6 顯示塑造外形收效使用象限傳感器, 當圖7 給近似結(jié)果。
Fig. 6.
Fig. 7.
Fig. 8.
Fig. 9.
Fig. 10.
沒有傳感器, 被連接到被測試的CNC 機床的平臺和二到個各自的球和磁性插口探測器。球校核在平臺的球的中心的是3D 測量和目標分析。當目標后, 在平面編碼器第一樣品被放在在它的第一個位置。沒有移動目標, 平面編碼器被移動向鄰居點并且第二個樣品被采取。終于, 其他鄰居點被抽樣如同第三個樣品。每個三個樣品包括第2 個座標,個可能被分析目標的3D 座標。因而各3D 運動將由這個1 點和3 步(1P3S) 方法獲得。這個方法可能被描述如下。
為了獲得3D 安置的座標x, Y 和Z, 一個簡單的模型被開發(fā)在下圖,
已知:
圖13. 模型為分析x, y, z 座標。 x, y, z 是被分析座標
x1, y1, z1, x2, y2, z2, x3, y3, z3 是被提供第一, 第二個和第三個步樣品的2D光學標度座標
L1, L2, L3 是球禁止系統(tǒng)提供的長度.然后,
解等式:
這里, 發(fā)現(xiàn)了二種可能的解答。你是在平面編碼器的上面, 而另一個是在它之下。因而,在這種應(yīng)用唯一座標在球板材的上面被使用。在同等的z 被發(fā)現(xiàn)之后, x 和y 可能并且被發(fā)現(xiàn)。在這種應(yīng)用,長度是固定, 因而L1 L2 L3 。擴大運作的范圍一個標準或激光 球校核系統(tǒng)與一個長的運轉(zhuǎn)的范圍位移傳感器可能被使用。在那個案件, L1, L2, L3 可能由那個傳感器獲得。為了使費用減到最小,使用了 在這種應(yīng)用只一套平面編碼器和一個簡單的球校核系統(tǒng)。因而, 一個平面編碼器測量的系統(tǒng)為CNC 機床27 座標x1, y1, z1, x2, y2, z2, x3, y3, z3 必須由平面編碼器獲得在三個各自的樣品。
取樣步驟(1P3S) 是: 1. 讓機床行動向被測試的位置(一點) 。 2. 采取樣品由平面編碼器(步驟1) 。 3. 移動閱讀器向一個鄰居位置與平面編碼器有關(guān); 被測試的機器不被移動。采取樣品由平面編碼器(步驟2) 。
11. 討論和結(jié)論
在本文里, 一個平面編碼器系統(tǒng)被使用了為CNC 機床的一個塑造外形的測試。它證明, 這個系統(tǒng)能成功地被使用為制造外形的測試。這種應(yīng)用好處可能被總結(jié)
如下: 1. 在塑造外形的測試期間, 塑造外形的錯誤為各個單獨軸可能被獲得。這不是可能的使用一個一般球校核系統(tǒng)。這個作用為分析提供更加有用的信息塑造外形的錯誤。2 。系統(tǒng)可能被使用為長期間熱量漂泊測試, 但傳統(tǒng)球校核系統(tǒng)不能實現(xiàn), 因為在這中沒有可能受傷的纜繩。
2. 為塑造外形復(fù)雜的曲線的組合譬如凸輪, 系統(tǒng)可能被使用當一個一般球校核系統(tǒng)不實現(xiàn)。表1 。平面編碼器的證明結(jié)果為3D 安置
以這個第2 個光學測量的系統(tǒng), 3D 位置誤差測試可能成功地并且執(zhí)行。因而這臺光學編碼器可能被使用為動態(tài)表現(xiàn)和對CNC 機床的幾何學錯誤測試。審查工作由國際科 委員會進行,格蘭特數(shù)字支持了NSC-88-2212-E-150-0的工作.
叁考
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