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CNC 機(jī)床的性能測(cè)驗(yàn)的系統(tǒng)發(fā)展和平面的編碼器測(cè)量的應(yīng)用 W. Jywe 自動(dòng)化工程學(xué)部， 國(guó)立Huwei科技研究所, Huwei, 林云,臺(tái)灣 在這個(gè)文章中，平面的編碼器的測(cè)定的裝置是為了發(fā)展測(cè)試 CNC 機(jī)床的表現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)的協(xié)助下，這一個(gè)系統(tǒng)能被使用進(jìn)行2 D 的 CNC畫 輪廓測(cè)試和 3D立體定位測(cè)試。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原則,可以進(jìn)行一般的 2 D 的應(yīng)用畫輪廓測(cè)試，漂流物測(cè)試, 和指定的幾何學(xué)的部份路徑測(cè)試。 一個(gè)真實(shí)的個(gè)案是研究改良一個(gè)凸輪的機(jī)制準(zhǔn)確性的描述。 最后, 示范了一個(gè)新的使用光學(xué)的編碼器的 3D立體放置方法。 關(guān)鍵字: 球狀校核系統(tǒng); 機(jī)床; 幾何學(xué)的部份路徑; 平面的編碼器; 熱的漂流物測(cè)試; 三維空間的定位; 二維空間的畫輪廓 1. 介紹 機(jī)床的表現(xiàn)和一致性-對(duì)機(jī)器制造的質(zhì)量的起主要作用。 系統(tǒng)地檢查機(jī)床的表現(xiàn)對(duì)于直接的質(zhì)量校核或?yàn)檫@不確定補(bǔ)償是重要的。1932年 , 低空飛機(jī)遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)網(wǎng) 首先為機(jī)器提供一個(gè)系統(tǒng)的方法。這個(gè)方法成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的基礎(chǔ)。在 1959年，Tlusty使用了電和感應(yīng)來(lái)測(cè)試紗錠準(zhǔn)確性。 Tlusty，Koenigsberger和 Burdekin為機(jī)床指出了新的測(cè)試方法。 Burdekin檢查了機(jī)床的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性和機(jī)器加工部份的關(guān)系。 Tlusty計(jì)劃了一個(gè)不切割的測(cè)試方法。然后機(jī)床表現(xiàn)的測(cè)試分為一個(gè)直接的切斷之內(nèi)分類測(cè)試和一個(gè)間接的切斷測(cè)試。Ericson首先描述了機(jī)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(cè)量程度的定義和方法。 在商業(yè)的激光干涉計(jì)的使用之后,測(cè)定體積誤差的分析可以被描述了。Voutsudopoulos 和 Burdekin指出坐標(biāo)測(cè)量機(jī)需要校正的模型。 Fan使用一個(gè)激光干涉計(jì)和個(gè)人計(jì)算機(jī)校正不同類型的機(jī)床的裝置。 Zhang和 Hockey 通過(guò)測(cè)量位置錯(cuò)誤 獲得了 的 21個(gè)錯(cuò)誤成份。為了找出 21個(gè)錯(cuò)誤成份, Zhang 和 Zang設(shè)計(jì)1-D球狀隊(duì)列，然后 Zhang描述了一個(gè)迅速獲得筆直錯(cuò)誤的方法。 在2000年, Jywe 描述了一個(gè)使用球狀校核系統(tǒng)的方法證明了CNC機(jī)床 的測(cè)定體積錯(cuò)誤。圓形的測(cè)試被發(fā)展用來(lái)檢查幾何學(xué)和畫輪廓錯(cuò)誤。 為了準(zhǔn)確性評(píng)估，Burdekin[20] 描述了使用圓形的路徑的方法作切斷測(cè)試。 布賴恩為畫輪廓測(cè)試發(fā)展了第一個(gè)球狀校核系統(tǒng)。然而，在這一個(gè)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(zhǔn)確測(cè)量和制造它的的半徑.Knapp's 的系統(tǒng)是 在機(jī)床上用一個(gè)圓形的比較標(biāo)準(zhǔn)圓盤展開和 2 D 測(cè)量。這一個(gè)系統(tǒng) 的問(wèn)題是在 2 D 之間摩擦的存在和系統(tǒng)對(duì)高速的畫輪廓測(cè)試是無(wú)法使用圓盤, 小帶寬和2 D 測(cè)試的高費(fèi)用。 Kakinov 提供了使用一個(gè)球狀校核系統(tǒng)校準(zhǔn)一個(gè)同等的CNC機(jī)床。 Knapp描述了一條減少預(yù)定黏住–滑等的錯(cuò)誤的規(guī)則.Burdekin 和Park通過(guò)使用四坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的方式修改了原始的球狀校核系統(tǒng)。 Burdekin 和 Jywe[31]提供通過(guò)一個(gè)診斷畫輪廓錯(cuò)誤和調(diào)整 CNC 機(jī)床的參數(shù)來(lái)優(yōu)化機(jī)床的方法。 Ziegert 和 Mize描述了一個(gè)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(cè)試期間的半徑錯(cuò)誤, 都限制了外形制造錯(cuò)誤的分析即使每個(gè)軸存在共有的不是各自的錯(cuò)誤。為了獲得每個(gè)軸的外形制造錯(cuò)誤, Jywe[34]使 用了二個(gè)位置硅探測(cè)器來(lái)測(cè)試.。 一個(gè)激光源發(fā)出激光光線,激光光線進(jìn)入二條垂直的線之內(nèi)被分離并且射在二臺(tái)垂直放置機(jī)床的硅探測(cè)器上。 Heidenhein格子編碼器也提供畫輪廓2 D測(cè)試, 但是非常費(fèi)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(gè)有很好的電動(dòng)反應(yīng)系統(tǒng)能測(cè)量 0.1 m 的數(shù)量級(jí).但最重要的是低費(fèi)用。 然而,那最初的平面編碼器為人工的操作而設(shè)計(jì),用來(lái)進(jìn)行CNC 機(jī)床的外形測(cè)試是不適當(dāng)?shù)?由于下列的考慮: 1. 最初的系統(tǒng)只包括了一個(gè)編碼器和探測(cè)器。 沒有相關(guān)的接口和驅(qū)動(dòng)。 2. 如此沒有相關(guān)的畫輪廓軟件和測(cè)試-方法。因此,即使有了相關(guān)的軟件,使用和整合一個(gè)新的計(jì)算機(jī)輔助平面編碼器中系統(tǒng)來(lái)測(cè)試兩者的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)和CNC機(jī)床的幾何錯(cuò)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(cè)試的裝置 能減少90% 費(fèi)用。從早先的研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了那個(gè)測(cè)試裝置總是不適合的對(duì)3D幾何錯(cuò)誤測(cè)試。 此外，這些裝置不適合的對(duì)一個(gè)自由形態(tài)的 2 D畫輪廓測(cè)試的。書中設(shè)計(jì)和發(fā)展了一個(gè)裝置的簡(jiǎn)單測(cè)量裝置來(lái)檢查每個(gè)輸出軸的制造外形。 同時(shí)一個(gè)3D位置的測(cè)試也發(fā)展了。 2. CNC機(jī)床的2 D 平面編碼器畫輪廓測(cè)量系統(tǒng) 2.1 平面的編碼器的原則 一個(gè)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(gè)有二個(gè)直角可以 測(cè)試X 和 Y 方向感應(yīng)器的探測(cè)器 .系統(tǒng)有一個(gè)好動(dòng)態(tài)的反映而且在方向上達(dá)到了0.1 m的數(shù)量級(jí)。 V -B被用來(lái)編輯測(cè)定的軟件程序。圖 1 使用簡(jiǎn)單的平面編碼器測(cè)試的外形輪廓。 這平面的編碼器提供每個(gè)軸的2 D 畫輪廓的定位數(shù)據(jù)。 在測(cè)試中, 平面的編碼器與 CNC 機(jī)床不兼容而且探測(cè)器經(jīng)常需要修理。 計(jì)算機(jī)軟件經(jīng)由一張柜臺(tái)卡片能讀抽取樣品數(shù)據(jù)。 Fig.1 3. 測(cè)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(dú)立計(jì)算機(jī)速度 2. 充份的抽取樣品數(shù)據(jù)對(duì)顯示和分析高辨識(shí)率的錯(cuò)誤是必要的。 3. 抽取樣品數(shù)據(jù)應(yīng)該與畫輪廓速度,計(jì)算機(jī)速度和畫輪廓半徑無(wú)關(guān)。 3.2 由于熱的效果不確定 為測(cè)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(jī)床平臺(tái),半徑誤差將會(huì)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(huì)被影響。 雖然平面的編碼器的擴(kuò)充系數(shù)相當(dāng)小,到了極小的影響,編碼器也應(yīng)該不時(shí)的放到測(cè)試機(jī)床平臺(tái)來(lái)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(cè)試結(jié)果 在一個(gè) 有0 M Fanuc 校核器并且垂直 CNC機(jī)床上進(jìn)行XY方向 上進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的畫輪廓測(cè)試.畫輪廓結(jié)果顯示在圖 2中。 那逆時(shí)針方向的和順時(shí)針方向的在 20 毫米半徑畫輪廓測(cè)試能滿足ISO 230-1 和 230-2的需求。 從結(jié)果來(lái)看,絕對(duì)的半徑錯(cuò)誤能被容易地發(fā)現(xiàn)。 對(duì)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(gè)軸的錯(cuò)誤也能被個(gè)別地發(fā)現(xiàn)。對(duì)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(cè)試。 對(duì)于像球校核系統(tǒng)的畫輪廓系統(tǒng), 由于問(wèn)題信號(hào)電纜的卷繞只有一個(gè)的有限制數(shù)字運(yùn)行。 在這個(gè)試驗(yàn)里, 測(cè)試運(yùn)行是無(wú)限的。 因此, 一個(gè)熱的漂流物測(cè)試能在沒有另外的固定物時(shí)容易地運(yùn)行。 經(jīng)過(guò)八小時(shí)的連續(xù)順時(shí)針方向畫輪廓運(yùn)行, 畫輪廓結(jié)果在圖 3 中以每個(gè)二小時(shí)的周期被顯示。 畫輪廓中心在圖 4 中每個(gè)30分鐘被顯示。在 8 小時(shí)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(yùn)行畫輪廓錯(cuò)誤的形式都是很重要的。 從這一個(gè)測(cè)試中, 這一個(gè)系統(tǒng)很容易顯示連續(xù)運(yùn)行的表現(xiàn)。 Fig.3 Fig.4 Fig.5 6.平面編碼的方形錯(cuò)誤測(cè)試 使用平面編碼器方形錯(cuò)誤可能容易地被檢測(cè)到。編碼器被設(shè)置在被測(cè)試的平面上。探測(cè)器沿著編碼器的正方形邊緣。CNC 機(jī)床被測(cè)試了并且結(jié)果被顯示在圖5. 制造外形的測(cè)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(shí)平面編碼器塑造外形的系統(tǒng)。使用一條2 毫米順時(shí)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(dāng)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(cè)試的CNC 機(jī)床的平臺(tái)和二到個(gè)各自的球和磁性插口探測(cè)器。球校核在平臺(tái)的球的中心的是3D 測(cè)量和目標(biāo)分析。當(dāng)目標(biāo)后, 在平面編碼器第一樣品被放在在它的第一個(gè)位置。沒有移動(dòng)目標(biāo), 平面編碼器被移動(dòng)向鄰居點(diǎn)并且第二個(gè)樣品被采取。終于, 其他鄰居點(diǎn)被抽樣如同第三個(gè)樣品。每個(gè)三個(gè)樣品包括第2 個(gè)座標(biāo),個(gè)可能被分析目標(biāo)的3D 座標(biāo)。因而各3D 運(yùn)動(dòng)將由這個(gè)1 點(diǎn)和3 步(1P3S) 方法獲得。這個(gè)方法可能被描述如下。 為了獲得3D 安置的座標(biāo)x, Y 和Z, 一個(gè)簡(jiǎn)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(biāo)。 x, y, z 是被分析座標(biāo) x1, y1, z1, x2, y2, z2, x3, y3, z3 是被提供第一, 第二個(gè)和第三個(gè)步樣品的2D光學(xué)標(biāo)度座標(biāo) L1, L2, L3 是球禁止系統(tǒng)提供的長(zhǎng)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(gè)是在它之下。因而,在這種應(yīng)用唯一座標(biāo)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(zhǎng)度是固定, 因而L1 L2 L3 。擴(kuò)大運(yùn)作的范圍一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或激光 球校核系統(tǒng)與一個(gè)長(zhǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍位移傳感器可能被使用。在那個(gè)案件, L1, L2, L3 可能由那個(gè)傳感器獲得。為了使費(fèi)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(gè)簡(jiǎn)單的球校核系統(tǒng)。因而, 一個(gè)平面編碼器測(cè)量的系統(tǒng)為CNC 機(jī)床27 座標(biāo)x1, y1, z1, x2, y2, z2, x3, y3, z3 必須由平面編碼器獲得在三個(gè)各自的樣品。 取樣步驟(1P3S) 是: 1. 讓機(jī)床行動(dòng)向被測(cè)試的位置(一點(diǎn)) 。 2. 采取樣品由平面編碼器(步驟1) 。 3. 移動(dòng)閱讀器向一個(gè)鄰居位置與平面編碼器有關(guān); 被測(cè)試的機(jī)器不被移動(dòng)。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(gè)平面編碼器系統(tǒng)被使用了為CNC 機(jī)床的一個(gè)塑造外形的測(cè)試。它證明, 這個(gè)系統(tǒng)能成功地被使用為制造外形的測(cè)試。這種應(yīng)用好處可能被總結(jié) 如下: 1. 在塑造外形的測(cè)試期間, 塑造外形的錯(cuò)誤為各個(gè)單獨(dú)軸可能被獲得。這不是可能的使用一個(gè)一般球校核系統(tǒng)。這個(gè)作用為分析提供更加有用的信息塑造外形的錯(cuò)誤。2 。系統(tǒng)可能被使用為長(zhǎng)期間熱量漂泊測(cè)試, 但傳統(tǒng)球校核系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn), 因?yàn)樵谶@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(dāng)一個(gè)一般球校核系統(tǒng)不實(shí)現(xiàn)。表1 。平面編碼器的證明結(jié)果為3D 安置 以這個(gè)第2 個(gè)光學(xué)測(cè)量的系統(tǒng), 3D 位置誤差測(cè)試可能成功地并且執(zhí)行。因而這臺(tái)光學(xué)編碼器可能被使用為動(dòng)態(tài)表現(xiàn)和對(duì)CNC 機(jī)床的幾何學(xué)錯(cuò)誤測(cè)試。審查工作由國(guó)際科 委員會(huì)進(jìn)行,格蘭特?cái)?shù)字支持了NSC-88-2212-E-150-0的工作. 叁考 1. 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